Усилитель типа М-ДМ с гальванической развязкой Советский патент 1984 года по МПК H03F3/38 

1 Изобретение относится к усилителям постоянного тока типа модуляциядемодуляция (М-ДМ)с изоляцией входной цепи от выходной с помощью двух трансформаторов и может быть использовано в системах автоматического регулирования производственных процессов и прецизионных системах сбора данных, когда требуется усиление сиг налов постоянного тока в условиях сильных Помех, например, промьшшенной сети, приложенных между источником и приемником сигнала, когда требуется произвольное заземление источника сигнала в сложных системах а также для обеспечения безопасности человека при измерениях. Известны усилители с двумя трансформаторами, которые строятся с помощью различных методов синхронной модуляции - демодуляции. Причем один из трансформаторов совместно с дополнительным генератором служит для изоляции цепей питания модулятора и демодулятора, а другой, разделительный - для изоляции цепи сигнала моду лятора от демодулятора. Для построения модуляторов и демодуляторов используются аналоговые ключи. В связи с увеличением числа каналов сбора данных, в которых применяются усилители с гальванической развязкой, и с возрастающим использо ванием цифровых методов обработки данных, а таклсе с повышением разрядности цифровых устройств требуется повышение точности усилителей с галь ванической развязкой и одновременное уменьшение габаритных размеров. Точность усилителей с гальванической развязкой характеризуется нелинейностью статической характеристики температурной нестаб ьностью коэффициента усиления, полосой пропускания, коэффициентом подавления синфазного сигнала 1 J. В усилителях гальванической развязки с двумя трансформаторами нелинейность статической характеристики и температурная нестабильность коэффициента усиления связаны .с ошибками кois мyтaции аналоговых ключей, влияние которых уменьшается при уменьшении частоты модулятора. Полоса пропускания определяет динамическую точность усилителей с двумя тран сформаторами, которая тем выше, чем больше частота модулятора. Однако для производственных систем сбора 42 данных, когда усилители с гальванической развязкой включаются после датчиков, снижение полосы пропускания не приводит к понижению точности по той причине, что сами датчики являются инерционными. Коэффициент подавления синфазного сигнала переменного тока усилителей с двумя трансформаторами тем выше, чем меньше проходная емкость трансформаторов . Габаритные размеры трансформаторов (размер магнитопроводов и объем обмоток J и их проходная емкость уменьшаются с увеличением их рабочих частот. Поэтому коэффициент подавления синфазного сигнала переменного тока усилителей с двумя трансформаторами увеличивается с повышением частот модулятора и добавочного генератора .Габаритные размеры самих трансформаторов определяют геометрические размеры усилителей,выполненных в виде мйкросборок и модулей. Поэтому в усилителях гальванической развязки с двумя трансформаторами вьшолнение требования умен1гшения нелинейности статической характеристики и температурной нестабильности коэффициента усиления путем снижения частоты модулятора противоречит стремлению повышения коэффициента подавления синфазного сигнала переменного тока и одновременного уменьшения геометрических размеров. Наиболее близким к предлагаемому является усилитель типа М-ДМ с гальванической развязкой, содержащий модулятор с генератором импульсов, на выходе которого включен импульсиьш трансформатор, разделительный трансформатор с маловитковой и многовитковой обмотками и демодулятор, причем модулятор и демодулятор выполнены амплитудно-импульсными, а разделительный трансформатор составлен из двух тороидальных магнитопроводов каждый из которых имеет многовитковую обмотку, а оба магнитопровода охвачены замкнутым витком, причем многовитковая обмотка одного магнитопровода подключена к модулятору, а многовитковая обмотка другого магнитопровода подключена к демодулятору. За счет такого построения разделительного трансформатора в усилителе уменьшение проходной емкости и увеличение коэффициента подавления синфазного сигнала переменного тока достигается без увеличения частоты модулятора С 2 Ц. Из-за невозможности удаления магнитопроводов каждого трансформатора друг от друга по соображениям увеличения геометрических размеров всего усилителя между магнитопроводами установлен электростатический экран. Существенное значение имеют величины активных сопротивлений обмоток, особенно охватывакяцего витка, влияющие на температурную нестабильность коэффициента усиления усилителя. Поэтому диаметры-обмоточных проводов должны быть относительно большими. Наличие удвоенного количества магнитопроводов и электростатических экранов усложняет усилитель и увеличивает его габаритные размеры. В усилителе отсутствует возможность измерения коэффициента усиления и подстройки нуля внешними сигналами, например от цифровых устройств обработки данных. Цель изобретения - повьшение точности при уменьшении габаритов Поставленная цель достигается тем что в усилителе типа М-ДМ с гальванической развязкой (Содержащем модулятор с генератором импульсов, на выходе которого включен импульсный трансформатор, разделительный трансформатор тока с маловитковой и много витковой обмотками и демодулятор, модулятор и демодулятор выполнены широтно-импульсными, а между вторичной обмоткой импульсного трансформа.тора и маловитковой обмоткой разделительного трансформатора тока введены последовательно соединенные пр образователь напряжение - ток и параллельно-последовательный ключ тока, управляющие входы которого подключены соответственно к выходам мо- дулятора, при этом между многовитко вой обмоткой разделительного трансформатора тока и демодулятором вклю чен выпрямитель с шунтом на выходе. На чертеже представлена структур иая электрическая схема усилителя типа М-да с гальванической развязкой .. Усилитель содержит широтно-импульсный модулятор 1, генератор 2 им пульсов с импульсным трансформатором 3, преобразователь напряжение - ток 4, параллельно-последовательный 4 5 тока на транзисторах 6 и 7, разделительный трансформатор 8 тока с маловитковой 9 и многовитковой 10 обмоткамиj выпрямитель 11, шунт 12, конденсатор i 3, широтно-импульсный демодулятор 14, который образован аналоговым ключом 15, фильтром I6 низкой частоты, опорными источниками 17 и 18. Устройство работает следующим образом. Широтно-импульсный модулятор формирует последовательность прямоугольных импульсов постоянной амплитуды, скважность которых (3 Т/Т пропорциональна входному сигналу Ugj, где f - длительность импульсов модулятора, Т - период следования импульсов. При наличии импульса на выходе широтно-импульсного модулятора I транзистор 6 открыт, а транзистор 7 закрыт и выходной ток преобразователя напряжение - ток 4 замыкается через транзистор 6. Напряжение на шунте 12 отсутствует, и аналоговый ключ 15 открыт. Поэтому на время импульса опорный источник 18 подключается к фильтру 16 низкой частоты. . При отсутствии импульса на выходе широтно-импульсного модулятора 1 выходной ток преобразователя напря-. жение-ток 4 проходит через маловитковую обмотку 9 разделительного тран-сформатора тока 8 и открытый транзистор 7, транзистор 6 закрыт, трансформируется, выпрямляется и создает на шунте 12 напряжение, закрывающее аналоговый ключ 15. Форма тока на выходе преобразователя напряжение - ток 4 соответствует форме напряжения на его входе. Конденсатор 13 сглаживает пульсации управляющего напряжения аналогового ключа 15, вызванные конечностью фронтов генератора 2 импульсов. Замыкание аналогового ключа 15 происходит со скважностью Q, поэтому выходной сигнал ир.,| усилителя пропорционален напряжению Ug опорного источника 18 и скважности импульсов Q широтно-импульсного модулятора 1 Ueb.,Q KUe,U,3. (О где К - коэффициент пропорциональности. Опорный источник 17 обеспечивает подстройку нуля усилителя или формирование двуполярного выходного напряжения. J Напряжение управления аналоговым ключом 15 должно иметь два уровня. Чтобы аналоговый ключ 5 на нулевом транзисторе был открыт, напряжение управления должно быть равно нулю, Для закрытия аналогового ключа 15 нужно подать напряжение управления, равное напряжению отсечки U. Для соблюдения постоянства уровня напряжения управления аналог.овым ключом 15 ток, передаваемый через трансформатор 8, должен иметь прямоугольную форму, т.е. относительный спад о вершины каждой полуволны тока должен быть i 1, что соблюдается при выполнении соотношения 1 где ff - частота генератора 2 прямо угольного напряжения; индуктивность обмотки 9; эквивалентное сопротивление вносимое в обмотку 9. Так как в режиме отсечки полевой транзистор аналогового ключа 15 не потребляет энергии от цепи управления , то сопротивление, вносимое в первичную маловитковую обмотку 9 ра делительного трансформатора тока 8, будет равно Rl2 где сопротивление шунта 12; п коэффициент трансформации разделительного трансформа тора тока 8. Если пренебречь длительностями фронтов выходного тока I-, преобразо вателя напряжение - ток 4, то напря жение управле1Гим аналоговым ключом 15 составит (4) из (2)5(3)3 (4 может ,быть определена необходимая индуктивность обмотк 1 .. - afrsU.h При заданных величинах fj., /, I U( увеличении коэффициента транс формации п уменьшается необходимая индуктивность L, а следовательно, количество витков обмотки 9 для получения минимальной проходной ем кости разделительного трансформатор тока 8. При этом величина сопротивл НИЛ шунта 12 выбирается из условия - Ц отс Ц Если обмотка 9 содержит один виток, как в прототипе, то количество витков обмотки 10 равно коэффициенту трансформации п. При тороидальной форме магнитопро вода, когда многовитковая обмотка равномерно распределена по поверхности магнитопровода, а маловитковая обмотка представляет провод, проходя1ЦИЙ через центр окна,- обмотки можно рассматривать как коаксиальные проводники и проходная емкость разделительносо трансформатора составит где Е - высота магнитопровода с многовитковой обмоткой; внутренний диаметр магнитопровода;диаметр провода, проходя.ший через центр окна. Диаметры проводов обмоток разделительного трансформатора 8 тока; в отличие от прототипа, выбираются исходя из допустимой плотности тока, так как разделительный трансформатор используется для управления аналоговым ключом 5 и изменение ак тивных сопротивлений обмоток при изменении окружающей температуры не влияют на стабильность коэффициента усиления усилителя. Количество витков многовитковой обмотки 10 при равенстве частоты широтно-импульсного модулятора 1 с прототипом и одинаковом материале магнитопроводов меньше, чем у прототипа так как значительно выше частота генератора импульсов f(5). Разделительный трансформатор 8 тока имеет всего один магнитопровоД; размеры которого меньше, чем у одного магнитопровода прототипа, так как меньше диаметры проводов обмоток и количество их витков, что обеспечивает меньшую проходную емкость(71 потому что 2 меньше, а отношение больше, ГIpe лaгaeмoe устройство позволяет jTvjeHbmHTb нелинейность статической характеристики и температурную нестабильность коэффициента усиления без увеличения габаритных размеров и проходной емкости усилителя путем снижения частоты широтно-импульсного модулятора 1, когда это 7 Ю приемлемо из условий быстродействия, обычно для систем регулирования производственных процессов. Предлагаемое устройство дает возможность при замене опорного источника 18 внешним входным сигналом и 2выполнять операцию умножения, и гк-и . (J /gj Вх Для образца, выполненного на дискретных компонентах с применением печатного монтажа, основная погреш913048ность умножения не превышает 0,09% дополнительная погрешность умножения при изменении,окружающей температуры не более 0,007%, коэффициент 5 подавления синфазного сигнала амплитудой 100 В частотой 50 Гц не менее 9А дБ. При замене опорных источников 17 и 18 внешними сигналами от цифрового устройства может быть осущестО влено программное управление коэффициентом усиления, а также подстройка нуля усилителя.

УСИЛИТЕЛЬ ТИЛА М-ДМ С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ, содержащий модулятор с генератором импульсов, на выходе которого включен импульсный трансформатор, разделительный трансформатор тока с маловитковой и многовитковой обмотками, демодулятор отличающийся тем, что, с целью повышения точности при уменьшении габаритов, модулятор и демодулятор вьшолнены широтно-импульсными, а между вторичной обмоткой импульсного трансформатора и маловитковой обмоткой разделительного трансформатора тока введены последовательно соединенные преобразователь напряжение - ток и параллельнопоследовательный ключ тока, управляющие входы которого подключены соответственно к выходам модулятора, при этом между многовитковой обмотс 3 кой разделительного трансформатора тока и демодулятором включен выпрямитель с шунтом на выходе.