Усилитель постоянного тока с гальванической развязкой

 

Полезная модель усилитель постоянного тока с гальванической развязкой относится к информационно-измерительной технике и может быть использована в качестве нормирующего усилителя в системах сбора данных, а также в устройствах ввода аналоговых сигналов в ЭВМ. Задачей предлагаемого технического решения является создание усилителя постоянного тока с гальванической развязкой и не требующего питающего напряжения во входной части, защитой от сквозных токов в усилителе мощности, подстройкой «нулевого уровня» выходного сигнала, а также создание устройства на базе одной микросхемы (БМК) с использованием в качестве гальванической развязки двух трансформаторов. Этот результат достигается тем, что предлагаемый усилитель постоянного тока с гальванической развязкой содержит модулятор, выполненный на интегральных прерывателях, подключенный к первичной обмотке сигнального трансформатора, к вторичной обмотке которого подключен усилитель переменного тока, выход которого подключен к демодулятору, который, как и модулятор подключен через питающий трансформатор к усилителю мощности, содержащего защиту от сквозных токов, а входы усилителя мощности подключены к выходам генератора импульсов. Совокупность предложенных признаков позволяет осуществлять модуляцию, усиление и демодуляцию постоянного входного сигнала, снижение потребления тока от источника силового питания и уровня помех, подстраивать «нулевой уровень» выходного сигнала. Использование подстройки «нулевого уровня» позволяет исключить инструментальную погрешность смещения «нулевого уровня» и обеспечить любое требуемое значение смещения диапазона изменения выходного сигнала от входного, что необходимо при работе с системой сбора данных.

Полезная модель усилитель постоянного тока с гальванической развязкой относится к информационно-измерительной технике и может быть использована в качестве нормирующего усилителя в системах сбора данных, а также в устройствах ввода аналоговых сигналов в ЭВМ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой модели является усилитель с гальванической развязкой (см. патент РФ 4723027/09 от 19.07.89) содержащий усилитель, модулятор и демодулятор, сигнальный и питающий трансформаторы, генератор импульсов и усилитель мощности.

Недостатками существующего усилителя с гальванической развязкой являются: наличие входного усилителя постоянного тока, что влечет за собой необходимость применения гальванически развязанного источника для его питания, отсутствие защиты от сквозных токов в усилителе мощности, что ухудшает помехозащищенность и увеличивает потребляемую мощность, использование трех трансформаторов, отсутствие подстройки «нулевого уровня» выходного сигнала, а также большой объем используемого оборудования.

Задачей предлагаемого технического решения является создание усилителя постоянного тока с гальванической развязкой и не требующего питающего напряжения во входной части, защитой от сквозных токов в усилителе мощности, подстройкой «нулевого уровня» выходного сигнала, а также создание устройства на базе одной микросхемы (БМК) с использованием в качестве гальванической развязки двух трансформаторов.

Техническим результатом является гальваническая развязка входного и выходного сигналов постоянного тока, отсутствие питающих напряжений во входной части, исключение сквозных токов в усилителе мощности, что необходимо для снижения потребляемой мощности и уровня помех, возможность подстройки «нулевого уровня» выходного сигнала, а также снижение массы и габаритов.

Технический результат достигается применением трансформаторной гальванической развязки модулятора и демодулятора, трансформаторной гальванической развязки между модулятором демодулятором и усилителем мощности, который управляется симметричным генератором импульсов, созданием модулятора на интегральных прерывателях, использованием отрицательной обратной связи по току в усилителе мощности, применением в демодуляторе схемы смещения нулевого уровня, применением аналогового БМК.

Этот результат достигается тем, что предлагаемый усилитель постоянного тока с гальванической развязкой содержит модулятор, выполненный на интегральных прерывателях, подключенный к первичной обмотке сигнального трансформатора, к вторичной обмотке которого подключен дифференциальный усилитель переменного сигнала, выход которого подключен к демодулятору,

который, как и модулятор подключен через питающий трансформатор к усилителю мощности, содержащему схему защиты от сквозных токов, а входы усилителя мощности подключены к выходам генератора импульсов.

Совокупность предложенных признаков позволяет осуществлять модуляцию, усиление и демодуляцию постоянного входного сигнала, снижение потребления тока от источника силового питания и уровня помех, подстраивать «нулевой уровень» выходного сигнала.

Использование подстройки «нулевого уровня» позволяет исключить инструментальную погрешность смещения «нулевого уровня» и обеспечить любое требуемое значение смещения диапазона изменения выходного сигнала от входного, что необходимо при работе с системами сбора данных.

Функциональная электрическая схема усилителя постоянного тока с гальванической развязкой представлена на фигуре 1.

1. Модулятор (см. Модуляторы малых сигналов, Б.А.Калинчук,

О.А.Пичугин, «Энергия», Ленинградское отделение, 1972 г., стр.99, рис.4-37);

2. Сигнальный трансформатор;

3. Первичная обмотка сигнального трансформатора;

4. Вторичная обмотка сигнального трансформатора;

5. Усилитель переменного тока (см. Искусство схемотехники, «Мир», Москва, 1986, стр.450, рис.7. 17б);

6. Демодулятор (фигура 2) (см. Аналоговые интегральные схемы, «Мир», Москва, 1988, стр.393, рис.35. 32);

7. Питающий трансформатор;

8. Первая вторичная обмотка питающего трансформатора;

9. Вторая вторичная обмотка питающего трансформатора;

10. Первичная обмотка питающего трансформатора;

11. Ключевой усилитель мощности (фигура 3);

12. Генератор импульсов;

Принципиальная электрическая схема демодулятора представлена на фигуре 2.

13. Третий резистор демодулятора;

14. Первый резистор демодулятора;

15. Второй резистор демодулятора;

16. Операционный усилитель;

17. Интегральный прерыватель;

18. Четвертый резистор демодулятора;

19. Источник опорного напряжения;

Принципиальная электрическая схема ключевого усилителя мощности представлена на фигуре 3.

20. Первый резистор;

21. Второй резистор;

22. Третий резистор;

23. Четвертый резистор;

24. Первый транзистор (первый p-n-p транзистор);

25. Второй транзистор (второй p-n-p транзистор);

26. Третий транзистор (первый n-p-n транзистор);

27. Четвертый транзистор (второй n-p-n транзистор);

28. Пятый резистор.

Усилитель постоянного тока с гальванической развязкой (фиг.1) состоит из генератора импульсов (12) два выхода которого подключены к входам ключевого усилителя мощности (11), выходы которого подключены к первичной обмотке (10) питающего трансформатора (7), первая вторичная обмотка (8) питающего трансформатора (7) подключена к управляющим входам модулятора (1), вход которого является входом устройства, а выходы подключены к первичной обмотке (3) сигнального трансформатора (2), вторичная обмотка (4) сигнального трансформатора (2) подключена к входам усилителя переменного тока (5), выход которого подключен к входу демодулятора (6), выход которого является выходом устройства, а управляющие входы подключены ко второй вторичной обмотке (9) питающего трансформатора (7).

Демодулятор (фиг.2) состоит из переключателя полярности коэффициента усиления (позиции с 13 по 17 см. Аналоговые интегральные схемы, «Мир», Москва, 1988, стр.393, рис.35. 32), первого резистора демодулятора (14) первый вывод которого подключен к первому выводу второго резистора демодулятора (15) и является входом демодулятора, а второй вывод подключен к инверсному входу операционного усилителя (16) выход которого является выходом демодулятора и через третий резистор демодулятора (13) подключен к своему инверсному входу, второй вывод второго резистора демодулятора (15) подключен к не инверсному входу операционного усилителя (16) и к входу интегрального прерывателя (17), выход которого подключен к общей шине питания, управляющие входы интегрального прерывателя (17) являются управляющими входами демодулятора, кроме того, инверсный вход операционного усилителя (16) через четвертый резистор (18) подключен к управляемому источнику опорного напряжения (19).

Ключевой усилитель мощности (фиг.3) состоит из двух n-p-n транзисторов Q3 (26) и Q4 (27), базы которых являются входами ключевого усилителя мощности, пятого резистора R5 (28) один вывод которого подключен к эмиттерам транзисторов Q3 (26) и Q4 (27), а второй вывод которого, подключен к общей шине питания, эмиттера двух p-n-p транзисторов Q1 (24) и Q2 (25), а также первые выводы первого резистора R1 (20) и третьего резистора R3 (22) подключены к соответствующей шине питания, вторые выводы первого резистора R1 (20) и третьего резистора R3 (22) подключены соответственно к

базам транзисторов Q1 (24) и Q2 (25), второй резистор R2 (21) один вывод которого подключен к базе транзистора Q1 (24), а второй вывод которого, подключен к коллекторам транзисторов Q3 (26) и Q2 (25), а также является вторым выходом ключевого усилителя мощности, четвертый резистор R4 (23) один вывод которого подключен к базе транзистора Q2 (25), а второй вывод которого, подключен к коллекторам транзисторов Q4 (27) и Q1 (24), а также является первым выходом ключевого усилителя мощности.

Усилитель постоянного тока с гальванической развязкой работает следующим образом. Входной сигнал постоянного тока в модуляторе (1) преобразуется в переменное напряжение амплитуда которого равна величине входного сигнала, а частота определяется частотой управляющего напряжения генератора импульсов (12). Переменное напряжение прикладывается к первичной обмотке (3) сигнального трансформатора (2). Управляющий сигнал имеет форму меандра и через питающий трансформатор (7) передается на управляющие входы модулятора (1) и демодулятора (6). На вторичной обмотке (4) сигнального трансформатора (2) образуется сигнал в виде меандра с размахом амплитуды удвоенного входного сигнала. Полученный сигнал усиливается усилителем переменного тока (5) и передается на вход демодулятора (6) на выходе образуется сигнал постоянного тока, пропорциональный входному сигналу, причем коэффициент пропорциональности равен коэффициенту усиления усилителя переменного тока (5).

В качестве демодулятора (фигура 2) применен переключатель полярности усиления управляемый напряжением (см. Аналоговые интегральные схемы, «Мир», Москва, 1988, стр.393, рис.35. 32).

Для подстройки «нулевого уровня» (осуществления маштабирования) выходного сигнала в схему введен подстраиваемый источник опорного напряжения (19), подключенный к инвертирующему входу операционного усилителя (16) через четвертый резистор демодулятора (18).

Ключевой усилитель мощности (фигура 3) выполнен по мостовой двухтактной схеме, то есть его плечи работают попеременно. Допустим на входе 1 высокий уровень напряжения, а на входе 2 низкий уровень напряжения. Тогда третий транзистор (26) в насыщении (открыт), а четвертый транзистор (27) в отсечке (закрыт). Следовательно, через первый резистор (20) и второй резистор (21) течет ток и открывается первый транзистор (24), в то время как второй транзистор (25) закрыт, потому что через третий резистор (22) и четвертый резистор (23), ток не течет. В результате на первом выходе создается напряжение высокого уровня, а на втором выходе напряжение низкого уровня. После того как на первый вход подается сигнал низкого уровня, а на второй вход высокого уровня, первый транзистор (24) и третий транзистор (26) закрываются, а второй транзистор (25) и четвертый транзистор (27) открываются. Следовательно, на первом выходе образуется низкий уровень напряжения, а на втором выходе

высокий уровень напряжения. В момент переключения может создаться такая ситуация, когда оба плеча открыты и протекает сквозной ток, который достигает значительной величины. Чтобы избежать такой ситуации используется отрицательная обратная связь, которая осуществляется через пятый резистор (28). Кроме того на время процесса переключения потребляемый ток I П ограничивается на уровне:

IП(UВХ-UБЭ)/R5, где

UВХ - величина входного напряжения на входе усилителя мощности;

UБЭ - напряжение между базой и эмиттером открытого транзистора (Q3, Q4);

R5 - сопротивление пятого резистора.

Усилитель постоянного тока с гальванической развязкой, состоящий из модулятора, выходы которого подключены к первичной обмотке сигнального трансформатора, а управляющие входы - к первой вторичной обмотке питающего трансформатора, демодулятора, управляющие входы которого подключены к второй вторичной обмотке питающего трансформатора, усилителя мощности, содержащего первый и второй n-p-n транзисторы, коллекторы которых подключены к первичной обмотке питающего трансформатора, а эмиттеры объединены, и генератора импульсов, отличающийся тем, что, с целью упрощения схемы, модулятор выполнен на интегральных прерывателях, вход модулятора является входом устройства, вторичная обмотка сигнального трансформатора через усилитель переменного тока подключена к демодулятору, с целью снижения потребляемой мощности и уровня помех, усилитель мощности выполнен по мостовой схеме, для чего введены дополнительно первый и второй p-n-p транзисторы, причем коллектор первого p-n-p транзистора соединен с коллектором второго n-p-n транзистора и через первый резистор с базой второго р-n-р транзистора, коллектор которого соединен с коллектором первого n-р-n транзистора и через второй резистор с базой второго р-n-р транзистора, эмиттеры р-n-р транзисторов объединены и подключены к соответствующей шине питания, куда через третий и четвертый резисторы подключены базы р-n-р транзисторов, а базы n-р-n транзисторов подключены соответственно через пятый и шестой резисторы к общей шине питания, куда через резистор обратной связи подключены эмиттеры n-р-n транзисторов, причем выходы генератора импульсов подключены непосредственно к базам n-р-n транзисторов, и с целью расширения функциональных возможностей демодулятор выполнен на операционном усилителе по схеме переключателя полярности коэффициента усиления, причем к инвертирующему входу операционного усилителя через четвертый резистор подключен регулируемый источник опорного напряжения, а с целью уменьшения объемных и массовых характеристик все устройства выполнены на одной микросхеме.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрооборудованию транспортных средств, получающих питание от сети постоянного тока и предназначено для защиты в аварийных режимах цепи двигателя мотор-компрессора
Наверх