Усилитель постоянного тока с развязкой

 

Изобретение может использоваться для гальванической развязки аналоговых сигналов в системах сбора данных. Цель изобретения - расширение динамического диапазона и упрощение путем исключения управляемых резисторов. Усилитель постоянного тока с развязкой содержит операционные усилители (ОУ) 1,15, резисторы 2,19, общие шины 3,18, развязывающий трансформатор (РТ) 5 с первичной обмоткой 4, конденсаторы 6,7,23,24, диоды 8,9,21,22, двухтактный транзисторный автогенератор 10 с трансформаторной связью, кол-пекторныд обмотки 11,12,Е8-фильтры 13,14, измерительные резисторы 16,17, компен

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я0„„1282308 А1 (511 4 Н 03 F 3/38

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

8 Zf cf

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3888000/24-09 (22) 23.04,85 (46) 07.01.87. Бюл. N (72) В.А. Копылов (53) 621.375.4(088.8) (56) Патент США Р 3988690, кл. Н 03 F 3/38, опублик. 26.10.76.

Авторское свидетельство СССР

N> 1241415, кл. Н 03 F 3/38, 18.01.85. (54) УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА С

РАЗВЯЗКОЙ (57) Изобретение может использоваться для гальванической развязки аналоговых сигналов в системах сбора данных. Цель изобретения — расширение динамического диапазона и упрощение путем исключения управляемых резисторов. Усилитель постоянного тока с развязкой содержит операционные усилители (ОУ) 1, 15, резисторы

2, 19, общие шины 3, 18, развязывающий трансформатор (РТ) 5 с первичной обмоткой 4, конденсаторы 6,7,23,24, диоды 8,9,21,22, двухтактный транзисторный автогенератор 10 с трансформаторной связью, коллекторные обмотки 11, 12,НЯ-фильтры 13, 14, измерительные резисторы 16,17, компен1282308 сирующую обмотку (КО) 20. Переменное напряжение, индуцируемое двухтактным транзисторным автогенератором 10 на первичной обмотке 4 и КО

20, выпрямляется однополупериодными выпрямителями, выполненными на дио дах 8,9,21,22, и после фильтрации на конденсаторах 6,7,23,24 используется для питания ОУ 1,15. При подаче ненулевого входного сигнала раИзобретение относится к усилительной технике и может быть использовано для гальванической развязки аналовых сигналов в системах сбора данных.

Цель изобретения — расширение ди- 5 намического диапазона и упрощение пупутем исключения управляемых резисторов.

На чертеже представлена принципиf0 алиная электрическая схема усилителя постоянного тока с развязкой.

Усилитель постоянного тока с развязкой содержит первый операционный усилитель 1 первый резистор 2, перЭ

15 вую общую шину 3, первичную обмотку

4 раэвяэывающего трансформатора 5, первый и второй конденсаторы б и

7, первый и второй диоды 8 и 9, двухтактный транзисторный автогенератор

10 с трансформаторной связью, первую и вторую коллекторные обмотки

11 и 12, первый и второй КБ-фильтры

13 и 14, второй операционный усилитель 15, измерительные резисторы 16 и 17, вторую общую шину 18, второй резистор 19, компенсирующую обмотку

20, третий и четвертый диоды 21 и

22, третий конденсатор 23 и дополнительный конденсатор 24.

Усилитель постоянного тока с развязкой работает следующим образом.

Переменное напряжение, индуцируемое двухтактным транэи торным автогенератором 10 на первичной обмотке

4 развязывающего трансформатора 5 и

3S компенсирующей обмотке 20, выпрямляется однополупериодными выпрямителями, выполненными на первом, втором, третьем и четвертом диодах 8,9,21 4 и 22 и после фильтрации на первом, втором, третьем и дополнительном венство токов, потребляемых ОУ 1 по различным шинам питания, нарушается.

Возникающий в сердечнике РТ 5 постоянный магнитный поток нарушает симметрию импульсов тока в коллекторных обмотках 11,12, в результате чего появляется дифференциальный сигнал на выходах ОУ l5. В КО 20 протекает ток, компенсирующий магнитный поток в сердечнике PT 5, 1 ил.

4 конденсаторах 6,7,23 и 24 используется для питания первого и второго операционных усилителей 1 и 15 ° При нулевом входном сигнале токи, потребляемые первым и вторым операционными усилителями 1 и 15 по обоим шинам питания, равны между собой.

Подмагничивание в сердечнике развязывающего трансформатора 5 отсутствует. При этом, ввиду симметричнос ти двухтактного транзисторного автогенератора 10, в течение обоих полупериодов переменного напряжения s первой и второй коллекторных обмотках 11 и 12 протекают импульсы тока равной амплитуды и длительности, которые создают на измерительных резисторах 16 и 17 равные падения напряжения. Постоянные составляющие напряжений, выделяемые первым и вторым КС-фильтрами 13 и 14, также равны между собой, следовательно, разность этих напряжений, поступающих на входы второго операционного усилителя 15, равна нулю, и выходное напряжение второго операционного усилителя 15 также равно нулю.

При подаче ненулевого входного сигнала равенство токов, потребляемых первым операционным усилителем

1 по различным шинам питания, нарушается. Входной сигнал положительной полярности приводит к увеличению тока, потребляемого от выпрямителя на первом диоде 8, а при смене полярности входного сигнала возрастает потребление от выпрямителя на втором о диоде 9. Из-за использования однополупериодных выпрямителей на первом и втором диодах 8 и 9 токи, протекающие по первичной обмотке 4, в раз128230S ные полупериоды переменного напряжения оказываются неравными.

Постоянная составляющая тока Ig в первичной обмотке 4 определяется величиной тока, протекающего через 5 первый резистор 2, и может быть записана следующим образом в

1 т

10 где V — напряжение на входе усиливк теля постоянного тока с развязкой относительно первой общей шины 3;

Rq — сопротивление первого ре- 15 зистора 2, В сердечнике развязывающего трансформатора 5 возникает постоянный магнитный поток, величина которого определяется величиной, а направле-. 20 ние — полярностью входного сигнала.

Возникающий постоянный магнитный поток нарушает симметрию импульсов тока в первой и второй коллекторных обмотках 11 и 12, разность постоянных составляющих напряжений, выделяемых первым .и вторым RC-фильтрами

13 и 14, становится неравной нулю.

На входах второго операционного усилителя 15 появляется дифференци- 30 альный сигнал, нарушающий равенство токов, потребляемых от выпрямителей на третьем и четвертом диодах 21и

22. В результате по компенсирующей обмотке 20 протекает постоянный ток

I, величина которого определяется

2У выражением:

2 1c}

1 40 где V — выходное напряжение усиливых теля постоянного тока с развязкой относительно второй общей шины tS

R — сопротивление второго ре- 45

1в зистора 19.

Постоянный магнитный поток компенсирующей обмотки 20 направлен встречно по отношению к магнитному потоку, обусловленному протеканием постоянно- 50 го тока по первичной обмотке 4.,Благодаря большому коэффициенту усиления второго операционного усилителя

15 обеспечивается компенсация магнитных потоков в сердечнике развязы- 55 вающего трансформатора 5 ° Если число витков в первичной и компенсирующей обмотках 4 и 20 одинаково, то при равенстве магнитных потоков равны и выз}}вающие их токи. Коэффициент передачи усилителя постоянного тока с развязкой К в этом случае может

t1 быть определен по формуле

n y, ° ?

Формула изобретения

Усилитель постоянного тока с развязкой, содержащий первый операционный усилитель, неинверстирующий вход которого является входом усилителя постоянного тока с развязкой, а инвертирующий вход через первый резистор соединен с первой общей шиной, которая подключена к первому выводу первичной обмотки развязывающего трансформатора и к первым выводам первого и второго конденсаторов, вторые выводы которых подключены соответственно к катоду первого и аноду второго диодов и к соответствующим шинам питания первого операционного усилителя, анод первого и катод второго диодов соединены с вторым выводом первичной обмотки развязывающего трансформатора, двухтактный транзисторный автогенератор с трансформаторной связью, первая и вторая коллекторные обмотки которого являются обмотками развязывающего трансформатора, причем первые выводы коллекторных обмоток через первый и второй

ГС-фильтры соединены с входами второго операционного усилителя и непосредственно — с первыми выводами соответствующих измерительных резисторов, вторые -выводы которых соединены с второй общей шиной и с первым выводом второго резистора, второй вывод второго резистора является выходом усилителя постоянного тока с развязкой, а также компенсирующую обмотку развязывающего трансформатора, третий и четвертый диоды и третий конденсатор, первый вывод которого соединен с катодом третьего диода, анод третьего диода соединен с катодом четвертого диода, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения диапазона и упрощения путем исключения управляемых резисторов, анод третьего диода соединен с первым выводом компенсирующей обмотки, второй вывод которой соединен с второй общей шиной и вторым выводом третьего конденсатора, анод четвертого и катод третьего диодов подключены к

Составитель П. Дик

Редактор В. Данко Техред Л.Олейник Корректор В. Бутяга

Тираж 899 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 7285/57

Производственно-полиграАическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

5 1282308 6 соответствующим шинам питания второ- онного усилителя соединен с инверго операционного усилитепя, между тирующим входом первого операционноанодом четвертого диода и второй об- го усилителя, а выход второго операщей шиной включен дополнительный ционного усилителя — с вторым вывоконденсатор, выход первого операци- дом второго резистора.