Усилитель постоянного тока с гальваническим разделением Советский патент 1991 года по МПК H03F3/38 

00

со

00

со

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в устройствах, требующих гальванического разделения входных и выход- ных цепей.

Цель изобретения - упрощение и повьппение надежности.

На чертеже представлена электрическая принципиальная схема усилите- 0 ля постоянного тока с гальваническим разделением.

Усилитель постоянного roKia с галь

ваническим разделением содержит ограничитель 1 входного сигнала, двухпо- t5 ЭИЦИОННЫЙ модулятор 2, который содержит положительную шину 3 источника питания, компаратор А, ключ 5, первый резистор 6, второй резистор 7, стаби- ;литрон 8, первый диод 9, второй диод 20 10, первый и второй конденсаторы 11 и 12, третий, четвертый и пятый ре- 1зисторы 13-15, третий конденсатор 16, разделительный трансформатор 17, (кося разряд второго конденсатора 12 через третий и четвертый резисторы, 13, 14 и конденсатора 24 через резистор 23.

После того как напряжение на входах компаратора 4 снова сравняются, выпеописанные процессы повторяются.

Мгновенное значение напряжения на инвертирующем входе компаратора 4 определяется по формуле

- (1)

и,

U,,-f

и.

где

11

постоянное по знаку напряжение на втором конденсато- ре 12;

переменное по знаку и величине напряжение на третьем конденсаторе 16. Поскольку при замкнутом ключе 5 конец обмотки 18 имеет низкий потенциал относительно общего провода, переменное напряжение на третьем кон- денсаторе 16 отрицательно относитель-.

ния, несколько большего, чем напряжение на входе двухпозициоиного модулятора 2 напряжения до разьо 1кания

торый содержит входную 18, дЬполни- 25 но общего провода. При этом конденса- тельную 19 и выходную.20 обмотки), , .тоР 2, 24 заряжаются до напряже- диод 21, фипьтр 22 нижних частот, который содержит резистор 23 и конденсатор 24, узел перезапуска 25, который содержит пятьА и шестой резисто- 30 ключа 5, а повторное замыкание ключа

5 происходит после того, как напряжение на конденсаторах 12, 24 сравняёт- ся с напряжением на входе двухпози- ционного модулятора 2, т.е. устройство дает пульсации на выходе. Следует заметить, что величина амплитудам пульсации весьма мала и составляет ничтожно малую часть (сотые доли процента) от велнчнны выходного нап1ря- жения..

35

40

ры 26 и 27, третий диод 28, четвертый конденсатор 29, и отрицательную шину 30 источника питания.

Усилитель работает следующим образом.

Пусть напряжение на входе скачком увеличивается от нуля до U, а напряжение на выходе равняется нулю. Поданный на вход сигнал проходит Через ограничитель 1 на неинвертирующий вход компаратора 4. Поскольку напряжение на другом входе компаратора 4 равно нулю, на выходе компаратора появляется высокое напряжение. При этом ключ 5 замыкается, через входнуМ обмотку 18 начинает протекать ток, в обмотках 19, 20 наводится электродвижущаяся сила, а конденсаторы 12 и 24 заряжаются через диоды 10 и 21.

Напряжение на выходе устройства 50 нарастает до тех пор, пока не сравняются мгновенное значение напряжения на инвертирующем и постоянное напряжение на неинвертнрующем входах компаратора 4. 55

После того, как напряжения на входах компаратора сравняются, на выходе компаратора появляется низкое напряжение. Ключ 5 размыкается. .НачинаетВеличина постоянного напряжения на выходе определяется по формуле

45

вмх«ив

iRl}+ R«l

R

14

+ --Uev Йлi. -Hit.

Rl4

.где Uj R,j

W

U

(2)

M

W

18

W

19

4(.

-величина.входно го напряжения;

-величина третьего резистора 13;

-величина четвертого резистора 14;

-количество витков входной обмотки 18;

- количество витков дополнительной обмотки 19;

-величина емкости третьего конденсатора 16;

ся разряд второго конденсатора 12 через третий и четвертый резисторы, 13, 14 и конденсатора 24 через резистор 23.

После того как напряжение на входах компаратора 4 снова сравняются, выпеописанные процессы повторяются.

Мгновенное значение напряжения на инвертирующем входе компаратора 4 определяется по формуле

- (1)

и,

U,,-f

и.

где

11

постоянное по знаку напряжение на втором конденсато- ре 12;

переменное по знаку и величине напряжение на третьем конденсаторе 16. Поскольку при замкнутом ключе 5 конец обмотки 18 имеет низкий потенциал относительно общего провода, переменное напряжение на третьем кон- денсаторе 16 отрицательно относитель

ния, несколько большего, чем напряжение на входе двухпозициоиного модулятора 2 напряжения до разьо 1кания

но общего провода. При этом конденса- .тоР 2, 24 заряжаются до напряже- ключа 5, а повторное замыкание ключа

Величина постоянного напряжения на выходе определяется по формуле

0 5

5

вмх«ив

iRl}+ R«l

R

14

+ --Uev Йлi. -Hit.

Rl4

.где Uj R,j

W

U

(2)

M

W

18

W

19

4(.

-величина.входно го напряжения;

-величина третьего резистора 13;

-величина четвертого резистора 14;

-количество витков входной обмотки 18;

- количество витков дополнительной обмотки 19;

-величина емкости третьего конденсатора 16;

С - релпчина технологической

11

емкости обмоток 18 и 19; - величина емкости первого конденсатора 17.

.Первый ковденсатор J 1 можно в принципе исключить из устройства, поскольку существует технологическая емкость. Второе слагаемое в формуле (2) - это половина амплитуды пульсаций на конденсаторах 12 и 24 при ра-. боте устройства в установивгаемся режиме .

f Для вьщеления на четвертом конденсаторе 29 напряжения, близкого к среднему значению напряжения на первом резисторе 6, должно выполняться условие: величина первого резистора 6 должна быть значительно меньше величины пятого резистора 27.

Величины резисторов 26, 27 четвертого конденсатора 29 должны выбираться такими, чтобы потенциал анода третьего диода 28 при нормальной работе усилителя бып всегда отрицательным, чтобы прямые токи диода не влияли на работу устройства.

Если по.какой-либо причине конденсаторы 12 и 24 не смогли зарядиться до величины напряжения на входе двух- позиционного модулятора 2, вступает в действие узел перезапуска 25, При этом ключ 5 длительное время держит- ся замкнутым, четвертьй конденсатор 29 заряжается и третий диод 28 начинает пропускать постоянный прямой ток, заряжая третий конденсатор 16. Поскольку напряжения на конденсаторах 12, 16 складываются за счет построения схемы, напряжение на инвер- тиругацем входе компаратора 4 возрастает, а после достижения равенства величин напряжен1{й на входах компаратора 4 ключ 5 размыкается. На входной обмотке 18 формируется положи- . тельный выброс напряжения, амплитуда которого ограничивается стабилитроном 8. При размыкании ключа 5 начинается разряд второго конденсатора 12 через резисторы 13, 14, конденсаторы 24 - через резистор 23, третьего конденсатора 16 - через пятый резис1;ор 15, четвертого конденсатора 29 - через резисторы 26, 27.

Напряжение положительного выброса на входной обмотке. 18 через емкости, первого конденсатора 1I и технологическую емкость передается на конденсатор 16. Вследствие этого мгновен

5

0

4 и

Urr

(3)

мое зпячепие напряжения на пнвсрти- рутопем входе ком пара горя /i упелнчива- ется по сравнению с наг ряжен11ем нл непнвертирукчием пходе на всличт ну V

( .г

U

где - напряжение пробы стабилитрона 8.

Поэтому конденсаторы 12, 24, 16, 29 разряжаются некоторое время до тех пор, пока мгновенное значелие напряжения на неинвертируктсдем входе не сравняется с постоянным напряжением на инвертирующем входе, после чего снова происходит замыкание ключа 5 и т.д.

Поскольку в .данном устройстве выполняются следукяцие соотноления:

CfZ CR м) 2. П

R

15

RT« R27 „

19

.R,.(C,,+C,,)-()44)

0

5

0

5

0

5

5 где С

(t

J5

C,g 1t

R

77

t С j4

Cu

R

fS

величина емкости второго конденсатора 12; величина резистора 23; вел1тчнна емкости ко1щенса- тора 29;

величина пятого резистора 26;

величина шестого резистора 27;

величина пергзого резистора 6;

величина конденсатора 24; величина емкости третьего конденсатора 16; величина пятого резистора 15,

то при каждом последующем цикле работы усилителя емкости конденсаторов 12, 24 заряжаются, а емкости конденсаторов 16, 29 разряжаются. В результате усилитель приходит в установившийся режим работы, при котором постоянное напряжение на конденсаторе 16 равно нулю,- а напряжение на конденсаторах 12, 24 определяется по формуле (2).

Величина индуктивности входной обмотки 18 не должна быть слитком малой, при малой величине индуктивности она потребляет большой ток намагничивания, что снижает нагрузочную способность устройства, а сопротив- . ление .нагрузки выхода должно быть по величине значительно бо.иы т сопротивления резистора 23,

Второй резистор 7 предназначен ;.У1Я гашения паразитных колебаний на входной обмотке 18 после размыкания ключа 5..

Р1апряжение ограничения ограничите- Ая 1 выбирается таким образом, чтобы фпряжение на входе днухпозипионного фдулятора 2 не преньгекало напряжение н|а инвертирующем входе компаратора 4 п|ри замкнутом ключ€ 5 после того, как З Лектродвижущая сила входной обмотки l|8 упадет до нуля, конденсаторы 16 и 9 зарядятся до установившегося зна- , а конденсатор 12 разрядится нуля.

Предлагаемое устройство обеспечивает большую токсичность при примене- Him, помимо одинаковых фипьтров, второго конденсатора 12 - резисторов 13, 14, конденсатора 24 - резистора 23 если диоды 10 и 21 выполнены за один технологический цикл, т.е. выполнены на одной диодной матрице.

Применение двухпозицнонного моду- jUTopa с цепью импульсного гистере- зиста значительно упроп(ает устройство по сравнению с прототипом, так как из модулятора исключается согласующий усилитель, одновибратор, являющиеся сложными электронными устройствами. KjjOMe того, при использовании парал- л льной цепи RC значительно упрощает- сй конструкция демодулятора по сравнению с прототипом, поскольку предлагаемое устройство оперирует с ам- пйитудным значением выходного напря- ж(Ьния.

Применение узла перезапуска и ог- p,iничитeля позволяет обеспечить работоспособность устройства после коротких замыканий любой из обмоток разделительного трансформатора 17 после временного прекращения работоспособности компаратора 4 (особенно после специальшлх воздействий, после любых порегрузок по входу).

Исключение сложных электронных устройств из состава усилителя увеличивает надежность работы усилителя (особенно при работе в условиях специальных воздействий), поскольку только пассивные злектрорадиоэлемен- ты имеют повышенную надежность при работе в условиях специальных воздей ствий. Применение емкостном положительной обрат1гой связи через конденсаторы 11, 16 сохраняет условие быстрого переключения компаратора А л

5

о

5 о

50 gg

5

0

45

широком диапазоне изменения его коэффициента передачи, что также ценно при работе устройства в условиях специальных воздействий.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет повьпиенную надежность работы за счет .применения узла перезапуска и исключения из схемы сложных электронных устройств: согласующего усилителя, одновибратора, демодулятора среднего значений; отличается простотой (за счет приме-- нения в основном пассивных элементов: резисторов и емкостей).

Формула изобрет ения

1.Усилитель постоянного тока с гальваническим разделением, содержащий последовательно соединенные модулятор, разделительмья трансформатор, имеющий входную обмотку и идентичные дополнительную и выходную обмотки, включенные согласно, диод и фильтр нижнюс частот, отличаюший- с я тем, что, с целью упрощения и повыгаения надежности, в него введены ограничите гь входного сигнала, узел перезапуска, а модулятор выполнен двухпозиционным, при этом вход ограничителя входного напряжения ЯВЛЯЕТСЯ входом усилителя постоянного тока с гальваническим разделением, выход соединен с г ервым входом двухпози- ционного модулятора, первый выход которого соединен с концом входной обмотки, второй выход - с началом входной обмотки, начало и конец дополнительной обмотки являются вторым и третьим входами двухпозиционного модулятора соответственно, вход узла перезапуска соединен с первым управляющим входом двухпозиционного модулятора, выход - с вторым управляющим входом двухпозиционного модулятора.

I

2.Усилитель по п.1, отличающийся, тем, что двухпози- ционный модулятор выполнен на компараторе, неиннертирующий вход которого является первым входом двухпозиционного модулятора, выход компаратора соединен с управляичим входом ключа, один вывод которого является первым управляющим входом двухпозиционного модулятора и через, первый резистор соединен с общей шиной, пторой вывод ключа является первым выходом друхпозиционного модулятора и через

второй резистор соединен с положительной шиной источника питания, которая является вторым выходом двухпо- зиционного модулятора и соединена с катодом первого диода, анод которого через стабилитрон соединен с вторым выводом ключа, а через первый конденсатор - с первым вьгаодом третьего резистора, второй вывод которого соеди- нен с инвертирующим входом компаратора и через четвертый резистор - с катодом второго диода, анод которого является вторым,входом двухпозицион- ного модулятора, а через последова- тепьно соединенные второй и третий конденсаторы соединен с общей шиной, точка соединения второго и третьего

конденсаторов является третьим входом и вторым управляющим входом двух- поэиционного модулятора и через пятый резистор соединена с общей шиной, 3. Усилитель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что узел перезапуска выполнен на третьем диоде, катод которого является выходом узла перезапуска, анод через четвертый конденсатор соединен с общей шиной и первым выводом пятого резистора, второй вывод которого является входом узла перезапуска, а точка соединения третьего диода и пятого резистора через шестой резистор соединена с отрицательной тиной источника питания.

Изобретеине относится к электронной технике. Цель изобретения - упрощение и повьппение надежности. Усилитель содержит последовательно соедийенные модулятор 2, разделительный трансформатор 17, имекиций входную обмотку 18 и идентичные дополнительную и выходную обмотки 19 и 20, включенные согласно диод 21 и фильтр 22 нижних частот. Введены ограничитель 1 входного сигнала, узел 25 перезапуска, содержащий резисторы 26 и 27, ди од 28, конденсатор 29. Модулятор 2 вьтолнеп двухпозиционным, содержащим положит, шину 3 источника питания, компаратор 4, ключ 5, резисторы 6, 7, 13-15, стабилитрон 8, диоды 9, 10, конденсаторы 11, 12 и 16. Применение .двухпозиционного модулятора с цепью импульсного гистерезиса значительно упрощает усилитель постоянного тока, т.к. из модулятора исключается согласующий усилитель, одновибратор, кроме того, при использовании параллельной цепи значительно упромается конструкция, т.к. усилитель постоянного тока оперирует с амплитудным значением выходного напряжения. Применение узла 25 обеспечивает работоспособность усилителя после коротких замыканий любой из обмоток трансформатора 17 после временного прекращения работоспособности компаратора 4 и особенно после любых перегрузок по входу. 2 з.п, ф-лы, 1 ил. с S сл с