Усилитель с гальванической развязкой Советский патент 1991 года по МПК H03F3/38 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке прецизионных преобразователей цифрового кода в аналоговый сигнал с гальванической развязкой выходной цепи от логической земли и цепей питания.

Известен усилитель с гальванической развязкой, содержащий операционный усилитель, трансформатор, инвертирующий сумматор, выполненный на выходном операционном усилителе, первый и второй од- нополупериодные выпрямители одной полярности и третий и четвертый однополу- периодные выпрямители другой полярности, первый и второй ключи, генератор импульсов, выполненный в виде несимметричного мультивибратора с инверсным выходом, первый, второй и третий резисторы, входную и выходную общие шины.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является усилитель с гальванической развязкой, содержащий первый дифференциальный усилитель, первый модулятор, первый и второй демодуляторы, развязывающий усилитель, сигнальный и питающий трансформаторы, а также генератор импульсов, при этом первый вход первого дифферея- циального усилителя является входом устройства, второй вход соединен с выходом первого демодулятора, а выход - с входом первого модулятора, выход которого подключен к первичной обмотке сигнального трансформатора, первая и вторая вторичные обмотки которого соединены соответственно с входами первого и второго демодуляторов, выход второго демодулятора соединен с входом развязывающего усилителя, выход которого является выходом устройства, первичная обмотка питающего трансформатора соединена с выходом генератора импульсов, первая и вторая, третья и четвертая вторичные обмотки питающего трансформатора попарно подключены к соответствущим входам первого и второго выпрямителей

Недостатком известных усилителей, является низкая достоверность выдаваемой информации и, как следствие, низкая надежность устройства, так как при выходе из строя любого его элемента выходной сигнал может изменяться по величине или исчезнуть совсем. При длительных технологических процессах все узлы управляющей системы должны обладать высокой надежностью и обеспечивать высокую достоверность информации. Это достигается дублированием и троированием узлов системы или применением холодного и горячего резерва Для своевременного

обнаружения неисправного узла и его отключения используются специальные средства сигнализации и контроля, что удорожает систему в целом. Поэтому актуальным является создание узлов со встроенными элементами контроля и сигнализации, обеспечивающими высокую достоверность выдаваемой информации и высокую надежность.

0Целью изобретения является повышение надежности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в усилитель с гальванической развязкой, содержащий первый дифференциальный уси5 литель, первый модулятор, первый и второй демодуляторы, развязывающий усилитель, сигнальный и питающий трансформаторы, а также генератор импульсов, при этом первый вход первого дифференциального уси0 лителя является входом устройства, второй вход соединен с выходом первого демодулятора, а выход - с входом первого модулятора, выход которого подключен к первичной обмотке сигнального трансформатора, пер5 вая и вторая вторичные обмотки которого соединены соответственно с входами первого и второго демодуляторов, выход второго демодулятора соединен с входом развязывающего усилителя, выход которого является

0 выходом устройства, первичная обмотка питающего трансформатора соединена с выходом генератора импульсов, первая и вторая, третья и четвертая вторичные обмотки питающего трансформатора попарно

5 подключены к соответствующим входам первого и второго выпрямителей, введены второй дифференциальный усилитель, второй модулятор, третий демодулятор, двух- пороговый компаратор, элемент задержки и

0 D-триггер, сигнальный трансформатор выполнен с третьей вторичной обмоткой, которая подключена к входу третьего демодулятора, выход которого соединен с первым входом второго дифференциаль5 ного усилителя, второй вход которого под- ключен к выходу развязывающего усилителя, а выход - к входу второго модулятора, выход которого соединен с входом второго демодулятора, причем к входам

0 первого дифференциального усилителя подключены входы двухпорогового компаратора соответственно, выход которого непосредственно соединен с информационным входом D-триггера и через элемент

5 задержки с тактовым входом D-тригге- ра, выход которого соединен с управляющим входом генератора импульсов. R- или S-вход - с входом включения устройства, а первая, вторая, третья и четвертая вторичные обмотки питающего

трансформатора соединены соответственно с управляющими входами первого модулятора, первого демодулятора, третьего демодулятора и с объединенными управляющими входами вторых модулятора и демодулятора.

На чертеже представлена функциональная схема усилителя с гальванической развязкой.

Усилитель с гальванической развязкой содержит первый 1 и второй 2 дифференциальные усилители, первый 3 и второй 4 модуляторы, первый 5, второй б и третий 7 демодуляторы, развязывающий усилитель 8, питающий 9 и сигнальный 10 трансформаторы, первый 11 и второй 12 выпрямители, двухпороговый компаратор 13, элемент 14 задержки. D-триггер 15 и генератор 16 импульсов.

Усилитель с гальванической развязкой работает следующим образом.

На вход включения подается импульс запуска, который по S- или R-входу устанавливает D-триггер 15 в рабочее состояние. Своим выходным сигналом D-триггер 15 включает в работу генератор 16 импульсов, связанный с первичной обмоткой питающего трансформатора 9.

В обмотках II -V питающего трансформатора 9 создается прямоугольное переменное симметричное противофазное напряжение, поступающее на входы выпрямителей 11 и 12, а также в соответствующих фазах на управляющие входы модуляторов 3 и 4 и демодуляторов 5. 6 и 7.

Постоянные напряжения с выходов выпрямителей 11 и 12 подводятся к шинам питания входной и выходной цепей усилителя соответственно.

Входной сигнал напряжения положительной или отрицательной полярности подводится к входу устройства относительно заземленного входа и поступает на первый вход первого дифференциального усилителя 1. Выходное постоянное напряжение первого дифференциального усилителя 1 с помощью первого модулятора 3 преобразуется в переменное напряжение и поступает на первичную обмотку сигнального трансформатора 10. Третий демодулятор 7, связанный с четвертой обмоткой сигнального трансформатора 10. работает синхронно с первым модулятором 3. Поэтому на его выходе возникает постоянное напряжение. Второй дифференциальный усилитель 2 сравнивает выходные напряжения третьего демодулятора 7 и развязывающего усилителя 8 и изменяет соответственно входное напряжение второго модулятора 4. Переменное напряжение с выхода второго модулятора 4 поступает на вход второго демодулятора 6 и на третью обмотку сигнального трансформатора 10. Второй модулятор 4 и второй демоду- 5 лятор 6 работают синхронно, .но в противофазе с третьим демодулятором 7. Благодаря этому на выходе развязывающего усилителя 8 содается такое же напряжение, как на выходе третьего демодулятора 7

0 (с ошибкой, равной напряжению смещения второго дифференциального усилителя 2).

Напряжение с обмотки II сигнального трансформатора 10, возникшее иэ-э возбуждения на обмотке III от второго

5 модулятора 4, поступает через первый демодулятор 5 на второй вход первого дифференциального усилителя 1. Первый демодулятор 5 работает синхронно с вторым демодулятором б поэтому при равном

0 числе витков обмоток II и III сигнального трансформатора 10 на выходах первого 5 и второго б демодуляторов будут одинаковые напряжения

Дифференциальный усилитель 1 срав5 нивает входное напряжение на входе устройства с выходным напряжением первого демодулятора 5 и изменяет соответственно напряжение на входе первого модулятора 3, а следовательно, и на выходе третьего

0 демодулятора 7.

Благодаря такой схеме построения усилителя напряжения на его входе и выходе равны с погрешностью, зависящей от напряжений смещения первого дифференци5 ального усилителя 1 и развязывающего усилителя 8. Напряжение смещения второго дифференциального усилителя 2 на общую точность усилителя не влияет.

В исправном усилителе двухпороговый

0 компаратор 13 остается нечувствительным к допустимым отклонениям напряжения на входах первого дифференциального усилителя 1.

При возникновении любой неисправно5 сти упомянутое отклонение напряжения превышает допустимые пределы и двухпороговый компаратор 13 срабатывает, например выдает на выход сигнал нулевого уровня. Одновременно запускается в рабо0 ту элемент 14 задержки, который по окончании установленного интервала времени сбрасывает D-триггер 15 по С-входу. Вследствие этого выключается генератор 16 импульсов и выдается на клемму сигнал об

5 аварийной ситуации. Элемент 14 задержки предотвращает выключение усилителя при переходных процессах включения усилителя сигналом по входу включения или при изменении входного сигнала на входных клеммах устройства

В предлагаемом усилителе обнаруживается любая неисправность, как внезапная, так и постепенная, приводящая к ухудшению линейности передаточной характеристики: Например, при коротком замыкании между выходными клеммами усилителя происходит увеличнеие выходного напряжения второго дифференциального усилителя 2, а следовательно, и напряжения на выходах второго модулятора 4 и первого демодулятора 5. Вследствие этого увеличивается разность потенциалов на входах первого дифференциального усилителя 1. Благодаря действию отрицательной обратной связи напряжение на выходе усилителя 1, на обмотках I и IV сигнального трансформатора 10, а также на выходе третьего демодулятора 7 уменьшается, стремясь уменьшить до нуля разность потенциалов на входе второго дифференциального усилителя 2. При этом в обмотках сигнального трансформатора 10 создается противоречивая ситуация - в I и IV обмотках должно быть нулевое напряжение, а в обмотках III и II - напряжение, равное входному напряжению усилителя на входных клеммах устройства. В этом случае происходит насыщение сердечника сигнального трансформатора 10 и напряжение в обмотках III и II также снижается до нуля. При этом на входах первого дифференциального усилителя 1, а следовательно,и на входах двухпорогового компаратора 13 возникает устойчивая разность потенциалов, приводящая к срабатыванию О-триг- гера 15 по окончании времени задержки 14 элемента.

В исправном усилителе первый 3 и второй 4 модуляторы образуют симметричный двухтактный модулятор. При появлении неисправности в выходной цепи усилителя симметричность нарушается и возникает насыщение сигнального трансформатора 10, приводящее к сбросу D-триггера 15. Неисправность элементов 1, 3, 5, 9, 10, 11 и 16 входной цепи также обнаруживается по разности потенциалов на входе двухпорогового компаратора 13. Исправность элементов 13, 14 и 15 может быть проверена программно. Например, при использовании усилителя для передачи сигнала от цифроаналогового преобразователя проверка может осуществляться следующим образом. Дважды кратковременно и в разные стороны изменяется входной сигнал. Величина изменения должна быть несколько больше чувствительности двухпорогового компаратора 13, а длительность изменения - меньше времени переходного процесса усилителя При первом изменении происходит запуск элемента 14 задержки. Второе изменение входного сигнала производится несколько ранее окончания временной задержки. При этом

происходит срабатывание D-триггера 15, которое фиксируется по сигналу с клеммы. Тотчас после обнаружения срабатывания D- триггера 15 производится его установка в рабочее состояние по входу включения, т.е.

0 происходит кратковременное выключение усилителя. Время выключения должно быть минимально возможным, чтобы не произошел разряд емкостей выпрямителя 12 и второго демодулятора 6. Таким образом

5 производится проверка срабатывания элементов 13, 14 и 15. При этом проверяется способность двухпорогового компаратора 13 чувствовать изменение сравниваемых сигналов в обе стороны, т.е. как положитель0 мое, так и отрицательное изменение. Двухстороннее изменение входного сигнала при проверке способствует также сохранению установленного уровня выходного сигнала по среднему значению даже при некотором

5 разряде емкостей конденсаторов выпрямителей 11 и 12 и демодуляторов 5, б и 7. При неисправности в элементах 13. 14 и 15 изменения состояния D-триггера 15 при проверке не произойдет.

0Наличие в предлагаемом усилителе

двухпорогового компаратора 13 обеспечивает также проверку линейности передаточной характеристики усилителя

Таким образом, предлагаемый усили5 тель с гальванической развязкой обеспечивает повышение достоверности выдаваемой информации, так как может быть обнаружена неисправность любого элемента усилителя, а также нарушение

0 линейности передаточной характеристики, что приводит к повышению надежности усилителя.

Формула изобретения Усилитель с гальванической развязкой,

5 содержащий первый дифференциальный усилитель, первый модулятор, первый и второй демодуляторы, развязывающий усилитель, сигнальный и питающий трансформаторы, а также генератор импульсов,

0 при этом первый вход первого дифференциального усилителя является входом устройства, второй вход соединен с выходом первого демодулятора, а выход - с входом первого модулятора, выход которого под5 ключей к первичной обмотке сигнального трансформатора, первая и вторая вторичные обмотки которого соединены соответст- венно с входами первого и второго демодуляторов, выход второго демодулятора соединен с входом развязывающего уси

лителя, выход которого является выходом устройства, первичная обмотка питающего трансформатора соединена с выходом генератора импульсов, первая и вторая, третья и четвертая вторичные обмотки питающего трансформатора попарно подключены к соответствующим входам первого и второго выпрямителей, отличающийся тем, что. с целью повышения надежности, в него введены второй дифференциальный усилитель, второй модулятор, третий демодулятор, двухпороговый компаратор, элемент задержки и D-триггер. сигнальный трансформатор выполнен с третьей вторичной обмоткой, которая подключена к входу третьего демодулятора, выход которого соединен с первым входом второго дифференциального усилителя, второй вход которого подключен к выходу развязывающего усилителя, а выход - к входу второго модулятора, выход которого соединен с входом второго демодулятора, причем к входам первого дифференциального усилителя подключены входы двухпорогового компаратора соответственно, выход которого непосредственно соединен с информационным входом D-триггерэ и через элемент задержки с тактовым входом Dтриггера, выход которого соединен с управляющим входом генератора импульсов, а установочный вход D-триггера является входом включения устройства, управляющие входы первого и второго модуляторов, а также управляющие входы первого, второго и третьего демодуляторов соединены соответственно с первой, второй, третьей и четвертой вторичными обмотками питающего трансформатора.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение надежности. В усилителе с гальванической развязкой используется первый и второй дифференциальные усилители 1 и 2. первый и второй модуляторы 3 и 4, первый, второй и третий демодуляторы 5-7. развязывающий усилитель 8. питающий и сигнальный трансформаторы 9 и 10, первый и второй выпрямители 11 и 12, двухпороговый компаратор 13. элемент 14 задержки, D-триггер 15, а также генератор 16 импульсов. Для своевременного обнаружения используется специально организованная петля обратной связи, которая охватывает все устройство в целом. При возникновении любой неисправности петля обратной связи разрывается, срабатывает двухпороговый компаратор 13. который отключает генератор 16 импульсов. В предлагаемом устройстве обнаруживается любая неисправность, как внезапная, так и постепенная, приводящая к ухудшению линейности передаточной характеристики. В результате повышается надежность работы устройства 1 ил J W (Л о ю СП ю о