ИЗОЛИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2025 года по МПК H03F17/00 

Изобретение относится к усилителю, имеющему фотоэлементы.

Из уровня техники известен изолирующий усилитель (фиг.1), который содержит: оптопару Р1, которая является первым оптическим элементом связи, оптопару Р2, которая является вторым оптическим элементом связи, резистор R1 и резистор R2. Оптопара Р1 включает в себя светоизлучающий диод D1, который является светоизлучающим элементом, и фототранзистор Q1, который является светоприемным элементом. Аналогично оптопара Р2 включает в себя светоизлучающий диод D2, который является светоизлучающим элементом, и фототранзистор Q2, который является светоприемным элементом. Опубликованная международная заявка РСТ WO 2018105253 A1, МПК H01L 31/12, опубл. 14.06.2018 г. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является невозможность усиления двухполярного сигнала.

Техническим результатом изобретения является возможность усиления двухполярного сигнала.

Технический результат достигается тем, что изолирующий усилитель, содержащий две одинаковые фототранзисторные оптопары, анод светодиода первой фототранзисторной оптопары, подключен к контакту положительного напряжения двухполярного питания усилителя, а катод светодиода первой фототранзисторной оптопары подключен к аноду светодиода второй фототранзисторной оптопары, катод светодиода второй фототранзисторной оптопары подключен к контакту отрицательного напряжения двухполярного питания усилителя, коллектор фототранзистора первой фототранзисторной оптопары подключен к контакту положительного напряжения двухполярного питания усилителя, эмиттер фототранзистора первой фототранзисторной оптопары подключен к коллектору фототранзистора второй фототранзисторной оптопары, эмиттер фототранзистора второй фототранзисторной оптопары подключен к контакту отрицательного напряжения двухполярного питания усилителя, первый контакт входа усилителя подключен к катоду светодиода первой фототранзисторной оптопары и аноду светодиода второй фототранзисторной оптопары, второй контакт входа усилителя подключен к шине нулевого напряжения двухполярного питания усилителя, первый контакт выхода усилителя подключен к эмиттеру фототранзистора первой фототранзисторной оптопары и коллектору фототранзистора второй фототранзисторной оптопары, второй контакт выхода усилителя подключен к шине нулевого напряжения двухполярного питания усилителя.

На фиг.1 представлена схема прототипа.

На фиг.2 представлена схема изолирующего усилителя.

На фиг.3 представлена диаграмма постоянной составляющей сигнала на входе изолирующего усилителя (прототипа).

На фиг.4 представлен пример сигнала, подлежащего усилению.

На фиг.5 представлен пример сигнала на выходе изолирующего усилителя.

На фиг.6 представлены осциллограммы сигналов на входе (верхняя осциллограмма) и выходе (нижняя осциллограмма) изолирующего усилителя.

Приняты следующие обозначения:

1 - первый контакт входа усилителя;

2 - второй контакт входа усилителя;

3 - первый контакт выхода усилителя;

4 - второй контакт выхода усилителя;

5 - контакт положительного напряжения двухполярного питания усилителя;

6 - контакт отрицательного напряжения двухполярного питания усилителя;

7 - шина нулевого напряжения двухполярного питания усилителя;

V1 - первая фототранзисторная оптопара;

V2 - вторая фототранзисторная оптопара.

Изолирующий усилитель (фиг.2), содержит две одинаковые фототранзисторные оптопары V1 и V2, анод светодиода первой фототранзисторной оптопары V1 подключен к контакту 5 положительного напряжения двухполярного питания усилителя, а катод светодиода первой фототранзисторной оптопары V1 подключен к аноду светодиода второй фототранзисторной оптопары V2, катод светодиода второй фототранзисторной оптопары V2 подключен к контакту 6 отрицательного напряжения двухполярного питания усилителя, коллектор фототранзистора первой фототранзисторной оптопары V1 подключен к контакту 5 положительного напряжения двухполярного питания усилителя, эмиттер фототранзистора первой фототранзисторной оптопары V1 подключен к коллектору фототранзистора второй фототранзисторной оптопары V2, эмиттер фототранзистора второй фототранзисторной оптопары V2 подключен к контакту 6 отрицательного напряжения двухполярного питания усилителя, первый контакт 1 входа усилителя подключен к катоду светодиода первой фототранзисторной оптопары V1 и аноду светодиода второй фототранзисторной оптопары V2, второй контакт 2 входа усилителя подключен к шине 7 нулевого напряжения двухполярного питания усилителя, первый контакт 3 выхода усилителя подключен к эмиттеру фототранзистора первой фототранзисторной оптопары V1 и коллектору фототранзистора второй фототранзисторной оптопары V2, второй контакт 4 выхода усилителя подключен к шине 7 нулевого напряжения двухполярного питания усилителя.

В схеме прототипа (фиг.1) питание светодиода первой оптопары Р1 обеспечивается сигналом, поступающим на вход Vin. При такой схеме сигнал, поступающий на вход усилителя, должен содержать постоянную составляющую напряжения (фиг.3), необходимую для обеспечения излучения света светодиодом оптопары Р1, величина постоянной составляющей сигнала зависит от характеристик, применяемых в схеме токоограничивающего резистора R1 и оптопар P1, Р2. Таким образом, схема прототипа не подходит для усиления двухполярного сигнала (фиг.4). На выходе Vout, который подключен через фототранзистор оптопары Р1 и светодиод оптопары Р2 к контакту питания Vcc, выходной сигнал имеет постоянную составляющую напряжения.

Изолирующий усилитель (фиг.2), в отличие от прототипа (фиг.1), может работать с двухполярным сигналом, не имеющим постоянной составляющей напряжения, а также не имеет на выходе усилителя постоянную составляющую напряжения. В схеме изолирующего усилителя, в отличие от прототипа, отсутствуют токоограничивающие резисторы. Изолирующий усилитель состоит всего из двух одинаковых элементов - фототранзисторных оптопар V1 и V2, что упрощает схему изолирующего усилителя.

Для улучшения стабильности вольт-амперной характеристики светодиодов фототранзисторных оптопар V1 и V2, подключенных к двухполярному источнику питания без применения токоограничивающих резисторов, возможно охлаждение фототранзисторных оптопар изолирующего усилителя с помощью радиаторов охлаждения, а именно на каждой из двух одинаковых фототранзисторных оптопар закреплен радиатор охлаждения, либо две одинаковые фототранзисторные оптопары закреплены на общем радиаторе охлаждения. Для работы изолирующего усилителя применение радиаторов охлаждения не обязательно.

Для предотвращения механических воздействий возможно помещение заявляемого устройства в корпус (на фигурах не показан). В этом случае печатная плата с размещенными на ней припаянными элементами: двух одинаковых фототранзисторных оптопар V1, V2, первого контакта 1 входа усилителя, второго контакта 2 входа усилителя, первого контакта 3 выхода усилителя, второго контакта 4 выхода усилителя, контакта 5 положительного напряжения двухполярного питания усилителя, контакта 6 отрицательного напряжения двухполярного питания усилителя, шины 7 нулевого напряжения двухполярного питания усилителя, может быть прикреплена к корпусу сборочными операциями, например свинчиванием.

Устройство работает следующим образом.

Для обеспечения работы изолирующего усилителя (фиг.2) применяется двухполярное питание: на контакт 5 положительного напряжения двухполярного питания усилителя подается (+), на контакт 6 отрицательного напряжения двухполярного питания усилителя подается (-), второй контакт 2 входа усилителя и второй контакт 4 выхода усилителя подключены к шине нулевого напряжения двухполярного питания усилителя (средняя точка). Напряжение, подаваемое на контакты 5, 6 двухполярного питания усилителя, должно обеспечивать ток потребления светодиодов фототранзисторных оптопар V1 и V2, не превышающий указанного в характеристиках фототранзисторных оптопар, при этом яркость светодиодов должна быть достаточной для обеспечения смещения фототранзисторов оптопар V1 и V2. Протекающий через последовательно соединенные светодиоды фототранзисторных оптопар V1 и V2 ток обеспечивает одинаковое излучение света каждым светодиодом, тем самым обеспечивается одинаковое смещение (частичное открытие) и протекание тока через последовательно соединенные фототранзисторы фототранзисторных оптопар V1 и V2. Т.к. в схеме усилителя применяются фототранзисторные оптопары V1 и V2 с одинаковыми характеристиками, падение напряжения на каждом из последовательно соединенных светодиодах фототранзисторных оптопар V1 и V2 одинаково, соответственно, падение напряжения на каждом из последовательно соединенных одинаковых фототранзисторов фототранзисторных оптопар V1 и V2 так же одинаково. Таким образом, напряжение на первом контакте 1 входа усилителя равно напряжению на втором контакте 2 входа усилителя, подключенного к шине нулевого напряжения двухполярного питания усилителя. Напряжение на первом контакте 3 выхода усилителя равно напряжению на втором контакте 4 выхода усилителя, подключенного к шине нулевого напряжения двухполярного питания усилителя. Между контактами 1 и 2 входа усилителя и контактами 3 и 4 выхода усилителя отсутствует постоянная составляющая напряжения (разность потенциалов), что позволяет подключать к контактам 1, 2 входа усилителя источник сигнала, а к контактам 3, 4 выхода усилителя - нагрузку, при этом электрический ток (постоянная составляющая) не будет протекать ни через источник сигнала, ни через нагрузку. В изолирующем усилителе первый контакт 1 входа усилителя изолирован от первого контакта 3 выхода усилителя. Дальнейшая работа изолирующего усилителя описана на примере подачи на контакт 1 входа усилителя двухполярного (относительно контакта 2 входа усилителя) синусоидального (фиг.4) сигнала с амплитудой 50mV. При подаче данного сигнала происходит изменение интенсивности излучения света светодиодами фототранзисторных оптопар V1, V2, причем при положительной полуволне сигнала, достигающей в примере напряжения +50mV, интенсивность излучения света светодиодом фототранзисторной оптопары V1 уменьшается, а интенсивность излучения света светодиодом фототранзисторной оптопары V2 увеличивается, это происходит из-за увеличения напряжения на катоде светодиода фототранзисторной оптопары V1 и аноде светодиода фототранзисторной оптопары V2 на 50mV. Уменьшение интенсивности излучения света светодиодом фототранзисторной оптопары V1 влечет уменьшение тока, протекающего через фототранзистор данной фототранзисторной оптопары, в свою очередь, увеличение интенсивности излучения света светодиодом фототранзисторной оптопары V2 влечет увеличение тока, протекающего через фототранзистор фототранзисторной оптопары V2. Одновременное изменение величин протекающих токов в фототранзисторах фототранзисторных оптопар V1 и V2 при изменении напряжения на контакте 1 входа усилителя с 0V до +50mV меняет на контакте 3 выхода усилителя напряжение с 0V на -815mV относительно второго контакта 4 выхода усилителя, подключенного к шине 7 нулевого напряжения двухполярного питания усилителя. Изменение напряжения на контакте 1 входа усилителя с 0V до -50mV меняет на контакте 3 выхода усилителя напряжение с 0V на +815mV относительно второго контакта 4 выхода усилителя, подключенного к шине 7 нулевого напряжения двухполярного питания усилителя. Таким образом, на первом контакте 3 выхода усилителя относительно второго контакта 4 выхода усилителя формируется двухполярный сигнал. Двухполярный сигнал на выходе изолирующего усилителя имеет увеличенную амплитуду (фиг.5) относительно двухполярного сигнала на входе изолирующего усилителя (фиг.4). Из-за особенности схемы изолирующего усилителя сигнал на выходе изолирующего усилителя находится в противофазе с сигналом на входе изолирующего усилителя. Увеличение амплитуды двухполярного сигнала на выходе изолирующего усилителя относительно амплитуды двухполярного сигнала на входе изолирующего усилителя (фиг.6) свидетельствует о его усилении. Усиление двухполярного сигнала происходит за счет разницы вольт-амперных характеристик светодиода и фототранзистора фототранзисторных оптопар V1 и V2. Работа фототранзисторных оптопар V1 и V2 в противофазе обеспечивает компенсацию нелинейности их характеристик.

Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно возможность усиления двухполярного сигнала.

Изобретение относится к усилителю, имеющему фотоэлементы. Техническим результатом изобретения является возможность усиления двухполярного сигнала. Технический результат достигается тем, что изолирующий усилитель состоит из двух одинаковых фототранзисторных оптопар. Для питания светодиодов фототранзисторных оптопар изолирующего усилителя не требуется наличие в сигнале на входе изолирующего усилителя постоянной составляющей напряжения, т.к. питание светодиодов фототранзисторных оптопар изолирующего усилителя организовано отдельно. Для улучшения стабильности вольт-амперной характеристики светодиодов фототранзисторных оптопар изолирующего усилителя, подключенных к двухполярному источнику питания без применения токоограничивающих резисторов, возможно охлаждение фототранзисторных оптопар с помощью радиаторов охлаждения. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Изолирующий усилитель, содержащий две одинаковые фототранзисторные оптопары, отличающийся тем, что анод светодиода первой фототранзисторной оптопары подключен к контакту положительного напряжения двухполярного питания усилителя, а катод светодиода первой фототранзисторной оптопары подключен к аноду светодиода второй фототранзисторной оптопары, катод светодиода второй фототранзисторной оптопары подключен к контакту отрицательного напряжения двухполярного питания усилителя, коллектор фототранзистора первой фототранзисторной оптопары подключен к контакту положительного напряжения двухполярного питания усилителя, эмиттер фототранзистора первой фототранзисторной оптопары подключен к коллектору фототранзистора второй фототранзисторной оптопары, эмиттер фототранзистора второй фототранзисторной оптопары подключен к контакту отрицательного напряжения двухполярного питания усилителя, первый контакт входа усилителя подключен к катоду светодиода первой фототранзисторной оптопары и аноду светодиода второй фототранзисторной оптопары, второй контакт входа усилителя подключен к шине нулевого напряжения двухполярного питания усилителя, первый контакт выхода усилителя подключен к эмиттеру фототранзистора первой фототранзисторной оптопары и коллектору фототранзистора второй фототранзисторной оптопары, второй контакт выхода усилителя подключен к шине нулевого напряжения двухполярного питания усилителя.

2. Изолирующий усилитель по п. 1, отличающийся тем, что на каждой из двух одинаковых фототранзисторных оптопарах закреплен радиатор охлаждения.

3. Изолирующий усилитель по п. 1, отличающийся тем, что одинаковые фототранзисторные оптопары закреплены на общем радиаторе охлаждения.