УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ Российский патент 2004 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для гальванического разделения входных и выходных сигналов.

Известно устройство для развязки потенциалов (см. Передовой производственно-технический опыт. Межотраслевой реферативный сборник. ВИМИ, серия Т9, вып.3, 1986 г., стр.50-52, ППТО T9.03. W 53371 (С.464-83), содержащее источник входного сигнала, подключенный к входному каскаду с дифференциальным выходом, подключенным к баланскому модулятору, управляющие входы которого подключены к инверсным выходам задающего генератора. Трансформаторный выход задающего генератора подключен к управляющему входу синхронного демодулятора, трансформаторный вход которого подключен к трансформаторному выходу балансового модулятора. Выход синхронного демодулятора подключен к входу активного RC-фильтра, цепи питания задающего генератора подключены к первому источнику питания. Цепи питания входного каскада балансного модулятора, синхронного детектора и активного RС-фильтра подключены к первому и второму источникам питания.

Недостатками данного устройства являются сложность и большое энергопотребление вследствие двух, дополнительных к источнику входного сигнала, источников питания, двух импульсных трансформаторов, большого количества цифровых и аналоговых микросхем и других радиоэлеметов.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и предлагаемому изобретению является устройство гальванического разделения сигналов (см. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. М.В. Гальперин, М., Энергоатомиздат, 1987 г., стр.272, рис.7.4), содержащее автоколебательный задающий блокинг-генератор с двумя нагрузочными обмотками, цепи питания которого подключены к плюсовому и минусовому выводам источника питания, первая нагрузочная обмотка которого подключена к базоэмиттерным цепям транзисторного модулятора, вторая нагрузочная обмотка которого подключена к базоэмиттерным цепям транзисторного демодулятора, подключенного к клеммам для подключения приемника сигнала. Транзисторный модулятор содержит два транзистора, четырехобмоточный импульсный трансформатор. Первый и второй резисторы модулятора подключены к клеммам подключения источника сигнала. Другие выводы этих резисторов подключены к обмоткам модулятора и последовательно соединенным первому и второму конденсаторам, третий, четвертый, пятый, шестой конденсаторы и третий, четвертый, пятый резисторы транзисторного демодулятора. Управляющий вход и сигнальный выход модулятора подключены к первому и второму резистивным делителям, соответственно.

Недостатком устройства является сложность и большое энергопотребление из-за наличия (дополнительного к источнику входного сигнала) источника питания, двух импульсных трансформаторов, большого количества активных и пассивных электрорадиоэлементов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение устройства и уменьшение энергопотребления устройства.

Технический результат, заключающийся в упрощении и уменьшении энергопотребления достигается тем, что в устройство для гальванического разделения сигналов, содержащее автоколебательный блокинг-генератор с нагрузочной обмоткой, два резистивных делителя, пять конденсаторов, клеммы для подключения источника сигнала и приемника сигнала соответственно, первая клемма для подключения источника сигнала подключена к последовательно соединенным резистору и первому конденсатору, введены три диода, а автоколебательный блокинг-генератор снабжен компенсирующей обмоткой, анод первого диода подключен к началу нагрузочной обмотки блокинг-генератора, катод - к первым выводам второго конденсатора и первого резистивного делителя, второй вывод которого соединен с вторым выводом второго конденсатора и концом нагрузочной обмотки блокинг-генератора, начало компенсирующей обмотки которого подключено к аноду второго диода, катод которого подключен к первым выводам третьего конденсатора и второго резистивного делителя, второй вывод которого соединен с анодом третьего диода, катод которого соединен с вторым выводом третьего конденсатора и концом компенсирующей обмотки блокинг-генератора, средняя точка первого резистивного делителя подключена к первой клемме для подключения приемника сигнала и через четвертый конденсатор к средней точке второго резистивного делителя и концу нагрузочной обмотки блокинг-генератора, клеммы для подключения приемника сигнала через пятый конденсатор соединены между собой, точка соединения резистора и первого конденсатора подключена к плюсовому выводу питания блокинг-генератора, минусовой вывод питания которого подключен к второму выводу первого конденсатора и второй клемме для подключения источника сигнала, вторая клемма для подключения приемника сигнала подключена к катоду третьего диода. Кроме того, автоколебательный блокинг-генератор содержит р-n-р транзистор, импульсный трансформатор с базовой и коллекторной обмотками, диод, конденсатор и два резистора, причем плюсовой вывод питания блокинг-генератора подключен к эмиттеру р-n-р транзистора и через конденсатор к началу базовой обмотки импульсного трансформатора и одному из выводов первого резистора, другой вывод которого подключен к минусовому выводу питания блокинг-генератора и концу коллекторной обмотки импульсного трансформатора, конец базовой обмотки которого подключен через второй резистор к базе р-n-р транзистора, коллектор которого подключен к началу коллекторной обмотки импульсного трансформатора и катоду диода, анод которого соединен с концом коллекторной обмотки импульсного трансформатора и минусовым выводом питания автоколебательного блокинг-генератора.

Указанная совокупность признаков позволяет упростить устройства для гальванического разделения сигналов и уменьшить энергопотребление за счет сокращения значительного числа электрорадиоэлементов и исключения источника питания.

Резистор в цепи базы р-n-р транзистора автоколебательного блокинг-генератора обеспечивает увеличение перепада напряжений на нагрузочной и компенсирующей обмотках.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства для гальванического разделения сигналов.

На фиг.2 приведена временная диаграмма его работы.

Устройство для гальванического разделения сигналов (см. фиг.1) содержит автоколебательный блокинг-генератор 1 с нагрузочной 2 и компенсирующей 3 обмотками, первый 4 и второй 5 делители резистивные, первый 6, второй 7, третий 8, четвертый 9, пятый 10 конденсаторы. Клеммы 11.1, 11.2 для подключения источника сигнала медленно-изменяющегося положительного напряжения, первая клемма 11.1 для подключения источника сигнала, подключена к последовательно соединенным резистору 12 и первому конденсатору 6, точка соединения которых подключена к плюсовому выводу питания блокинг-генератора 1, минусовой вывод питания которого подключен к второму выводу конденсатора 6 и второй клемме 11.2 для подключения источника сигнала. Анод первого диода 13 подключен к началу нагрузочной обмотки 2, катод - к первым выводам конденсатора 7 и резистивного делителя 4, второй вывод которого соединен с вторым выводом конденсатора 7 и концом нагрузочной обмотки 2. Начало компенсирующей обмотки 3 блокинг-генератора подключено к аноду второго диода 14, катод которого подключен к первым выводам конденсатора 8 и резистивного делителя 5, второй вывод которого соединен с анодом третьего диода 15, катод которого соединен с вторым выводом конденсатора 8 и концом компенсирующей обмотки 3. Средняя точка резистивного делителя 4 подключена к первой клемме 16.1 для подключения приемника сигнала и через конденсатор 9 к средней точке резистивного делителя 5 и концу нагрузочной обмотки 2. Клеммы 16.1, 16.2 для подключения приемника сигнала через конденсатор 10 соединены между собой. Вторая клемма 16.2 для подключения приемника сигнала подключена к катоду диода 15.

Автоколебательный блокинг-генератор 1 содержит p-n-p транзистор 18, импульсный трансформатор 18, диод 19, конденсатор 20, первый 21 и второй 22 резисторы. Плюсовой вывод питания блокинг-генератора 1 подключен к эмиттеру р-n-р транзистора 17 и через конденсатор 20 к началу базовой обмотки 23 и одному из выводов резистора 21, другой вывод которого подключен к минусовому выводу питания блокинг-генератора 1 и концу коллекторной обмотки 24. Конец базовой обмотки 23 подключен через резистор 22 к базе р-n-р транзистора 17, коллектор которого подключен к началу коллекторной обмотки 24 и катоду диода 19, анод которого соединен с концом коллекторной обмотки и минусовым выводом питания автоколебательного блокинг-генератора 1.

Резистивный делитель 5 выполнен на двух последовательно соединенных резисторах 24, 25.

Устройство для гальванического разделения сигналов работает следующим образом.

Коэффициенты трансформации, импульсного трансформатора 18 автоколебательного блокинг-генератора равны 2:1:2:1 для коллекторной 24, базовой 23, нагрузочной 2 и компенсирующей 3 обмоток, соответственно.

В ходе расчетно-экспериментальных работ установлено, что при подаче различных по уровню входных напряжений U₁₁ на клеммы 11.1, 11.2 для подключения источника сигнала (cм. U₁₁, фиг.2) блокинг-генератор 1 выдает с коллекторной обмотки 24 импульсы напряжения U₁ (см. U₁, фиг.2). При этом величины напряжений U₁ на коллекторной обмотке 24 и напряжения U₁₁ на клеммах 11.1, 11.2 равны по амплитуде. Импульсы напряжения U₂ на нагрузочной обмотке 2 (см. U₂, фиг.2) меньше входного напряжения U₁₁ на величину Δ U₂ потерь. Импульсы U₃ напряжения на компенсирующей обмотке 3 (см. U₃, фиг.2) вдвое меньше импульсов U₂, что определено коэффициентом трансформации. Напряжение U₇ (см. U₇, фиг.2) на конденсаторе 7 пикового детектора, образованного диодом 13 и конденсатором 7, меньше входного напряжения U₁₁ на величину U₁₃ падения напряжения на диоде 13 и величину, пропорциональную току J₁ в резистивном делителе 4 и обмотках блокинг-генератора, а также сопротивлению потерь в нем, R_noт.

U₇=U₁₁-U₁₃-J₁×_Rnoт

Здесь величина напряжения U₁₃ зависит от величины входного напряжения U₁₁ через ток в обмотке 2 и зависит от температуры окружающей среды. Температурный коэффициент напряжения U₇ примерно равен температурному коэффициенту диода 13. Это 2-3 МВ/° С. Сопротивление потерь R_noт отражает приведенное сопротивление источника сигнала на клеммах 11,1, 11,2, небольшое сопротивление резистора 12, сопротивление открытого транзистора 17, сопротивление обмоток и потерь в сердечнике импульсного трансформатора 18.

Компенсирующая обмотка 3 вырабатывает импульсы напряжения которые детектируются пиковым детектором, образованным диодом 14 и конденсатором 8.

Его напряжение обеспечивает на резистивном делителе 5 и диоде 15 ток J₂, величина которого, как и величина тока J₁, пропорциональна величине входного напряжения U₁₁. Подбором величины сопротивлений R₂₄, R₂₅, образованных резисторами 24, 25 делителя 5 и типа диода 15 (по величине температурного коэффициента напряжения) обеспечивается такой ток J₂, чтобы сумма напряжения U₁₅ на диоде 15 и напряжения U₂₅ на резисторе 25 (U₁₅+U₂₅, фиг.2) скомпенсировала сумму напряжений U₁₃+J₁×_{Rnoт. Во всех условиях эксплуатации U13=U15, J1×Rnoт=J2×R25=U25. При этом предельное суммарное, выходное напряжение U16 на клеммах 16.1, 16.2 для подключения приемника сигнала определяется формулой}

U₁₆=U₁₁-U₁₃-J₁×_{Rnoт+U15+J2×R25=U11}

и значит, равно входному напряжению U₁₁. При необходимости увеличение или уменьшение напряжения u₁₆ достигается изменением сопротивления резисторов делителя 4, им же настраивается заданный коэффициент передачи. Конденсаторы 9 и 10 сглаживают пульсации напряжения на клеммах 16.1, 16.2 для подключения приемника сигнала до допустимых значений.

В момент формирования коротких положительных импульсов U₁ блокинг-генератор 1 отбирает из конденсатора 6 короткий импульс тока. В момент продолжительной паузы транзистор 17 заперт, а конденсатор 6 дозаряжается через резистор 12 до полного входного напряжения U₁₁ малым током. Цепь, образованная резистором 12 и конденсатором 6, разгружает источник сигнала (на фиг.1 не показан) от больших импульсных токов при отпирании транзистора 17, повышает и стабилизирует коэффициент передачи устройства в целом, уменьшает влияние выходного сопротивления источника сигнала на клеммах 11.1, 11.2.

За счет переноса ограничительного резистора 22 из цепи эмиттера в цепь базы увеличен перепад напряжений на коллекторе р-n-р транзистора, а значит коэффициент передачи устройства в целом. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер мало, мал и его температурный коэффициент (40 мкВ/° С). Перепад напряжения при переходе из режима "закрыт" в режим "насыщение" больше.

Заявленное изобретение позволяет упростить устройство для гальванического разделения сигналов и уменьшить энергопотребление за счет исключения источника питания и сокращения значительного количества электрорадиоэлементов.

Устройство отбирает небольшой ток от источника сигнала. Величина тока мала из-за большей скважности импульсов и большего сопротивления резисторов делителей 4, 5. Большая скважность позволяет эффективнее стабилизировать коэффициент передачи от влияния сопротивления источника сигнала с помощью резистора 12 и конденсатора 6, образующих сглаживающую, интегрирующую цепь.

Стабильность коэффициента передачи в диапазоне входных напряжений, воздействующих температур, старения обеспечивается диодно-резистивными цепями совместно с компенсирующей обмоткой. Ограничительный резистор 22 в цепи базы также стабилизирует коэффициент передачи устройства.

В устройстве для гальванического разделения сигналов применены отечественные электрорадиоэлементы. Входное напряжение на клеммах 11.1, 11.2. изменялось от 1,1 до 10 В, выходное (гальванически развязанное) напряжение на клеммах 16.1, 16.2 изменялось от 1,1 до 10 B соответственно, при коэффициенте передачи, равном 1,0 единице. Резистивными делителями 4, 5 настроен коэффициент передачи, равный 1,0 единице. Нестабильность коэффициента передачи по диапазону входного сигнала ± 0,2%, нестабильность в диапазоне температур (-40+50° С) равна ± 0,4%. Входной ток на клеммах 11.1, 11.2 источника сигнала равен 0,2 мА при входном напряжении U₁₁, равном 10 B. Входной ток на клеммах 11 источника сигнала равен 60 мкА при входном напряжении U₁₁, равном 1,1 В. Устройству не требуется источник питания, количество элементов сокращено вдвое, габариты и масса уменьшены.

Уменьшенное энергопотребление устройства и высокое сопротивление приемника сигналов уменьшили потери и исключили влияние изменения потерь в трансформаторе и p-n-p транзисторе на коэффициент передачи.

Изобретение относится к измерительной технике. Достигаемый технический результат - упрощение устройства и уменьшение энергопотребления устройства. Устройство для гальванического разделения сигналов, содержащее автоколебательный блокинг-генератор (1) с нагрузочной (2) и компенсирующей (3) обмотками, два резистивных делителя 4 и 5, пять конденсаторов (6, 7, 8, 9, 10), клеммы (11.1, 11.2, 16.1, 16.2) для подключения источника и приемника сигналов соответственно, первая клемма (11.1) для подключения источника сигнала подключена к последовательно соединенным резистору (12) и первому конденсатору (6), три диода (13, 14, 15). Анод первого диода (13) подключен к началу нагрузочной обмотки (2), катод - к первым выводам второго конденсатора (7) и первого резистивного делителя (4), второй вывод которого соединен с вторым выводом второго конденсатора (7) и концом нагрузочной обмотки (2). Начало компенсирующей обмотки (3) подключено к аноду второго диода (14), катод которого подключен к первым выводам третьего конденсатора (8) и второго резистивного делителя (5), второй вывод которого соединен с анодом третьего диода (15), катод которого соединен с вторым выводом третьего конденсатора (8) и концом компенсирующей обмотки (3). Средняя точка первого резистивного делителя (4) подключена к первой клемме (16.1) приемника сигнала и через четвертый конденсатор (9) к средней точке второго резистивного делителя (5) и концу нагрузочной обмотки (2). Клеммы (16.1, 16.2) для подключения приемника сигнала через пятый конденсатор (10) соединены между собой. Резистор (12) и первый конденсатор (6) подключены к плюсовому выводу питания блокинг-генератора (1), минусовой вывод подключен к второму выводу первого конденсатора (6) и клемме (11.2) для подключения источника сигнала. Вторая клемма (16.2) для подключения приемника сигнала подключена к катоду третьего диода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для гальванического разделения сигналов, содержащее автоколебательный блокинг-генератор с нагрузочной обмоткой, два резистивных делителя, пять конденсаторов, клеммы для подключения источника сигнала и приемника сигнала, соответственно, первая клемма для подключения источника сигнала подключена к последовательно соединенным резистору и первому конденсатору, отличающееся тем, что в него введены три диода, а автоколебательный блокинг-генератор снабжен компенсирующей обмоткой, анод первого диода подключен к началу нагрузочной обмотки блокинг-генератора, катод - к первым выводам второго конденсатора и первого резистивного делителя, второй вывод которого соединен с вторым выводом второго конденсатора и концом нагрузочной обмотки блокинг-генератора, начало компенсирующей обмотки которого подключено к аноду второго диода, катод которого подключен к первым выводам третьего конденсатора и второго резистивного делителя, второй вывод которого соединен с анодом третьего диода, катод которого соединен с вторым выводом третьего конденсатора и концом компенсирующей обмотки блокинг-генератора, средняя точка первого резистивного делителя подключена к первой клемме для подключения приемника сигнала и через четвертый конденсатор к средней точке второго резистивного делителя и концу нагрузочной обмотки блокинг-генератора, клеммы для подключения приемника сигнала через пятый конденсатор соединены между собой, точка соединения резистора и первого конденсатора подключена к плюсовому выводу питания блокинг-генератора, минусовой вывод питания которого подключен к второму выводу первого конденсатора и второй клемме для подключения источника сигнала, вторая клемма для подключения приемника сигнала подключена к катоду третьего диода.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что автоколебательный блокинг-генератор содержит р-n-р транзистор, импульсный трансформатор с базовой и коллекторной обмотками, диод, конденсатор и два резистора, причем плюсовой вывод питания блокинг-генератора подключен к эмиттеру транзистора и через конденсатор к началу базовой обмотки импульсного трансформатора и одному из выводов первого резистора, другой вывод которого подключен к минусовому выводу питания блокинг-генератора и концу коллекторной обмотки импульсного трансформатора, конец базовой обмотки которого подключен через второй резистор к базе транзистора, коллектор которого подключен к началу коллекторной обмотки импульсного трансформатора и катоду диода, анод которого соединен с концом коллекторной обмотки импульсного трансформатора и минусовым выводом питания блокинг-генератора.