CS246770B1

CS246770B1 - Connection of amplifier with galvanic isolation

Info

Publication number: CS246770B1
Application number: CS984584A
Authority: CS
Inventors: Jan Hajic; Vladimir Gerlich; Antonin Stehlik
Original assignee: Jan Hajic; Vladimir Gerlich; Antonin Stehlik
Priority date: 1984-12-17
Filing date: 1984-12-17
Publication date: 1986-11-13

Abstract

Řešení se týká zapojení zesilovače, který má. vstupy, výstupy i napájení vzájemně galvanicky oddělené. Stejnosměrný vstupní signál přichází na vstup operačního zesilovače, v něm se zesílí a zesílený přichází na vstupy modulátorů. V modulátorech se změ ní na střídavý a přivádí se přes oddělovací transformátor do dvojice demodulátorů. Vý stupní signál ze zpětnovazebního demodulátoru se vede jako signál zpětné vazby do operačního zesilovače a výstupní signál z výstupního demodulátoru je galvanicky odděleným výstupním signálem. Oscilátor s napájecím transformátorem slouží ke galvanickému oddělení napájecího napětí operačního zesilovače a k řízení obou modulá torů a demodulátorů. Zapojení se využije v měřicí a automatizační technice.The solution concerns the connection of an amplifier, which has galvanically isolated inputs, outputs and power supply. The DC input signal comes to the input of the operational amplifier, is amplified in it and the amplified signal comes to the inputs of the modulators. In the modulators it is changed to AC and fed through an isolation transformer to a pair of demodulators. The output signal from the feedback demodulator is fed as a feedback signal to the operational amplifier and the output signal from the output demodulator is a galvanically isolated output signal. The oscillator with a power supply transformer serves to galvanically isolate the supply voltage of the operational amplifier and to control both modulators and demodulators. The connection is used in measurement and automation technology.

Description

Vynález se týká zapojení zesilovače stejnosměrného milivoltového signálu, který má vstup, výstup i napájení vzájemně galvanicky oddělené.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The invention relates to the connection of an amplifier of a DC millivolt signal having input, output and power supplies galvanically isolated from each other.

•Dosud známé zesilovače analogového signálu s galvanickým oddělením využívají pro svou funkci optoelektrických oddělovacích členů nebo transformátorů. Optoelektrické oddělovací členy nesplňují požadavky kladené na přesnost přenosu, zejména z hlediska dlouhodobé a teplotní stálosti. Při použití transformátoru ke galvanickému oddělení přenášeného signálu je přesnost přenosu závislá na přesnosti modulátoru, transformátoru a demodulátoru. Současně je vstup nebo výstup galvanicky spojen s napájecím napětím.• Previously known analog signal amplifiers with galvanic isolation use optoelectric isolators or transformers for their function. Optoelectric isolators do not meet the requirements for accuracy of transmission, especially in terms of long-term and thermal stability. When using a transformer to galvanically isolate the transmitted signal, the transmission accuracy depends on the modulator, transformer and demodulator accuracy. At the same time, the input or output is galvanically connected to the supply voltage.

Tyto nedstatky odstraňuje zapojení zesilovače s galvanickým oddělením podle vynálezu.These drawbacks are eliminated by the connection of the amplifier with galvanic isolation according to the invention.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že vstupní svorka zapojení je spojena s neinvertujícím vstupem operačního zesilovače, jehož kladná napájecí svorka je spojena s prvním výstupem usměrňovacího bloku. První vstup usměrňovacího bloku je spojen s prvním vývodem napájecího vinutí napájecího transformátoru, jehož druhý vývod je spojen se druhým vstupem usměrňovacího bloku. Druhý výstup usměrňovacího bloku je spojen se zápornou napájecí svorkou operačního zesilovače, jehož výstup je spojen se vstupem druhého modulátoru a se vstupem prvního modulátoru.The principle of the invention is that the input terminal of the wiring is connected to a non-inverting input of an operational amplifier whose positive power terminal is connected to the first output of the rectifier block. The first rectifier block input is coupled to the first supply winding terminal of the power transformer, the second output of which is connected to the second rectifier block input. The second output of the rectifier block is connected to the negative power terminal of the operational amplifier, the output of which is connected to the input of the second modulator and the input of the first modulator.

Řídicí svorky prvního modulátoru jsou spojeny s vývody prvního řídicího vinutí napájecího transformátoru, jehož druhé řídicí vinutí je svými vývody spojeno s odpovídajícími řídicími svorkami druhého modulátoru. Výstup druhého modulátoru je spojen se druhým vývodem budicího vinutí oddělovacího transformátoru, jehož první vývod je spojen s výstupem prvního modulátoru.The control terminals of the first modulator are connected to the terminals of the first control winding of the power transformer, the second control winding of which is connected by its terminals to the corresponding control terminals of the second modulator. The output of the second modulator is connected to the second terminal of the drive winding of the isolation transformer, the first terminal of which is connected to the output of the first modulator.

První vývod zpětnovazebního vinutí oddělovacího transformátoru je spojen se vstupem zpětnovazebního demodulátoru, jehož výstup je spojen s invertujícím vstupem operačního zesilovače. Řídicí svorky zpětnovazebního demodulátoru jsou spojeny s vývody třetího řídicího vinutí napájecího transformátoru, jehož čtvrté řídicí vinutí je svými vývody spojeno s odpovídajícími řídicími svorkami výstupního demodulátoru, jehož výstup je spojen s první výstupní svorkou zapojení.The first feedback winding of the isolation transformer is coupled to the input of the feedback demodulator, the output of which is coupled to the inverting input of the operational amplifier. The feedback demodulator control terminals are coupled to the terminals of the third control winding of the power transformer, the fourth control winding of which is connected to the corresponding control terminals of the output demodulator, the output of which is coupled to the first output terminal of the wiring.

První napájecí svorka zapojení je spojena se středním vývodem budicího vinutí napájecího transformátoru, jehož vývody jsou spojeny s odpovídajícími výstupy oscilátoru. Vstup oscilátoru je spojen se druhou napájecí svorkou zapojení, jehož druhá výstupní svorka je spojena přes výstupní vinutí oddělovacího transformátoru se vstupem výstupního demodulátoru. Střední vývod budicího vinutí oddělovacího transformátoru a druhý vývod jeho zpětnovazebního vinutí je spojen se zemí.The first power terminal of the wiring is connected to the center terminal of the driving winding of the power transformer, the terminals of which are connected to the corresponding oscillator outputs. The input of the oscillator is connected to the second supply terminal of the wiring, whose second output terminal is connected via the output winding of the isolation transformer to the input of the output demodulator. The middle terminal of the excitation winding of the isolation transformer and the second terminal of its feedback winding are connected to ground.

Výhodou uspořádání zesilovače milivoltového signálu podle vynálezu je vzájemné galvanické oddělení vstupu, výstupu i napájení. Zvýší se přesnost a stabilita přenosu určená zpětnou vazbou operačního zesilovače. Zapojení má vysokou odolnost proti rušivým signálům.An advantage of the millivolt signal amplifier arrangement according to the invention is the mutual galvanic separation of input, output and power. The accuracy and stability of the transmission determined by the feedback of the operational amplifier will be increased. The wiring has high immunity against interference signals.

Příklad zapojení podle vynálezu je znázorněn schematicky na připojeném výkresu.An example of a circuit according to the invention is shown schematically in the attached drawing.

Jednotlivé bloky zapojení je možno charakterizovat takto. Operační zesilovač 1 je v integrovaném provedení a slouží k zesílení signálu. První modulátor 2 a druhý modulátor 3 jsou stejné. Jsou vytvořeny z dvojic tranzistorů a slouží k přeměně stejnosměrného vstupního signálu na střídavé napětí obdélníkového průběhu.Individual wiring blocks can be characterized as follows. The operational amplifier 1 is integrated and serves to amplify the signal. The first modulator 2 and the second modulator 3 are the same. They are made up of pairs of transistors and are used to convert a DC input signal into a rectangular AC voltage.

Oddělovací transformátor 4 je vytvořen ze tří vinutí, která jsou navinuta na prstencovém jádru. Slouží ke galvanickému oddělení měřeného signálu. Zpětnovazební demodulátor S je vytvořen z dvojice tranzistorů a z filtračního členu. Slouží pro vytváření zpětnovazebního signálu. Výstupní demodulátor 6 je vytvořen ze stejných členů jako zpětnovazební demodulátor 5 a slouží k vytvoření výstupního signálu.The isolation transformer 4 is formed from three windings that are wound on the annular core. It serves for galvanic separation of measured signal. The feedback demodulator S is formed from a pair of transistors and a filter member. It is used to create a feedback signal. The output demodulator 6 is formed from the same members as the feedback demodulator 5 and serves to produce the output signal.

Napájecí transformátor 7 je vytvořen z několika vinutí na prstencovém jádru. Slouží ke galvanickému oddělení napájecího napětí operačního zesilovače lak řízení obou modulátorů 2, 3 a obou demodulátorů 5, 6. Oscilátor 8 je vytvořen ze dvojice tranzistorů, kondenzátorů a odporů. Slouží k vytváření střídavého budicího signálu pro napájecí transformátor 7. Usměrňovači blok 9 je vytvořen z diod a kondenzátorů. Slouží k usměrnění napájecího napětí pro operační zesilovač 1.The power transformer 7 is formed from several windings on the annular core. It serves to galvanically isolate the supply voltage of the operational amplifier and to control both modulators 2, 3 and both demodulators 5, 6. The oscillator 8 is made of a pair of transistors, capacitors and resistors. It serves to generate an AC drive signal for the power transformer 7. The rectifier block 9 is formed from diodes and capacitors. It serves to rectify the supply voltage for the operational amplifier 1.

Vstupní svorka 01 zapojení je spojena s neinvertujícím vstupem 12 operačního zesilovače 1. Výstup 15 operačního zesilovače 1 je spojen se vstupem 21 prvního modulátoru 2 a se vstupem 31 druhého modulátoruThe wiring input terminal 01 is connected to the non-inverting input 12 of the operational amplifier 1. The output 15 of the operational amplifier 1 is connected to the input 21 of the first modulator 2 and the input 31 of the second modulator.

3. Výstup 22 prvního modulátoru 2 je spojen s prvním vývodem budicího vinutí 41 oddělovacího transformátoru 4. První řídící svorka 23 prvního modulátoru 2 je spojena s prvním vývodem prvního řídicího vinutí 73 napájecího transformátoru 7.The output 22 of the first modulator 2 is connected to the first terminal of the drive winding 41 of the isolation transformer 4. The first control terminal 23 of the first modulator 2 is connected to the first terminal of the first control winding 73 of the power transformer 7.

Druhý vývod prvního řídicího vinutí 73 napájecího transformátoru 7 je spojen se druhou řídicí svorkou 24 prvního modulátoru 2. Výstup 32 druhého modulátoru 3 je spojen se druhým vývodem budicího vinutí oddělovacího transformátoru 4. První řídicí svorka 33 druhého modulátoru 3 je spojena s prvním vývodem druhého řídicího vinutí 74 napájecího transformátoru 7.The second terminal of the first control winding 73 of the power transformer 7 is connected to the second control terminal 24 of the first modulator 2. The output 32 of the second modulator 3 is connected to the second terminal of the drive winding of the isolation transformer 4. the winding 74 of the power transformer 7.

Druhý vývod druhého řídicího vinutí 74 napájecího transformátoru 7 je spojen se druhou řídicí svorkou 34 druhého modulátoru 3. První vývod zpětnovazebního vinutí oddělovacího transformátoru 4 je spojen se vstupem 51 zpětnovazebního demodulátoru 5. Druhý vývod zpětnovazebního vinutíThe second terminal of the second control winding 74 of the power transformer 7 is connected to the second control terminal 34 of the second modulator 3. The first feedback winding of the isolation transformer 4 is connected to the input 51 of the feedback demodulator 5. The second output of the feedback winding

24S77524S775

Je spojen se zemí. Výstup 52 zpětnovazebního demodulátoru 5 je spojen s invertujícím vstupem 11 operačního’ zesilovače 1.It is connected to the ground. The output 52 of the feedback demodulator 5 is coupled to the inverting input 11 of the operational amplifier 1.

První řídicí svorka 53 zpětnovazebního demodulátoru 5 je spojena s prvním vývodem třetího řídicího vinutí 75 napájecího transformátoru 7. Druhý vývod třetího řídícího vinutí 75 napájecího transformátoru 7 je spojen se druhou řídicí svorkou 54 zpětnovazebního demodulátoru 5. První vývod výstupního vinutí 43 oddělovacího transformátoru 4 je spojen se vstupem 61 výstupního demodulátoru 6.The first control terminal 53 of the feedback demodulator 5 is connected to the first terminal of the third control winding 75 of the power transformer 7. The second terminal of the third control winding 75 of the power transformer 7 is connected to the second control terminal 54 of the feedback demodulator 5. with input 61 of output demodulator 6.

Druhý vývod výstupního vinutí 43 oddělovacího transformátoru 4 je spojen se dru hou výstupní svorkou 03 zapojení. Výstup 62 výstupního demodulátoru 6 je spojen s první výstupní svorkou 02 zapojení. Pr/ní řídicí svorka 63 výstupního demodulátoru 8 je spojena s prvním vývodem čtvrtého řídicího vinutí 76 napájecího transformátoru 7. Druhý vývod čtvrtého řídicího vinutí 76 napájecího transformátoru 7 je spojen se druhou řídicí svorkou 64 výstupního demodulátoru 6.The second outlet of the output winding 43 of the isolation transformer 4 is connected to the second output terminal 03 of the circuit. The output 62 of the output demodulator 6 is coupled to the first output terminal 02 of the wiring. The first control terminal 63 of the output demodulator 8 is connected to the first terminal of the fourth control winding 76 of the power transformer 7. The second terminal of the fourth control winding 76 of the power transformer 7 is connected to the second control terminal 64 of the output demodulator 6.

První napájecí svorka 04 zapojení je spo jena se středním vývodem budicího vinutí 72 napájecího transformátoru 7. Druhá napájecí svorka 05 zapojení je spojena se vstupem 81 oscilátoru 8. První výstup 82 oscilátoru 8 je spojen s prvním vývodem budicího vinutí 72 napájecího transformátoru 7. Druhý výstup 83 oscilátoru 8 je spojen se druhým vývodem budicího vinutí 72 napájecího transformátoru 7.The first wiring power terminal 04 is connected to the center terminal of the drive transformer drive winding 72. The second wiring power terminal 05 is connected to the input 81 of the oscillator 8. The first output 82 of the oscillator 8 is connected to the first output of the power transformer drive winding 72. 83 of the oscillator 8 is connected to the second terminal of the drive winding 72 of the power transformer 7.

První vývod napájecího vinutí 71 napájecího transformátoru 7 je spojen s prvním vstupem 91 usměrňovacího bloku 9. Druhý vývod napájecího vinutí 71 napájecího transformátoru 7 je spojen se druhým vstupem 92 usměrňovacího bloku 9. První výstup 93 usměrňovacího bloku 9 je spojen s kladnou napájecí svorkou 13 operačního zesilovačeA first power supply winding 71 of the power transformer 7 is connected to the first input 91 of the rectifier block 9. The second power supply winding 71 of the power transformer 7 is connected to the second input 92 of the rectifying block 9. The first output 93 of the rectifying block 9 is connected to the positive power terminal 13 amplifiers

1. Druhý výstup 94 usměrňovacího bloku 9 je spojen se zápornou napájecí svorkou 11 operačního zesilovače 1.1. The second output 94 of the rectifier block 9 is connected to the negative power terminal 11 of the operational amplifier 1.

Zapojení pracuje takto:The wiring works as follows:

Na první napájecí svorku 04 zapojení a na druhou napájecí svorku 05 zapojení se přivádí stejnosměrné napájecí napětí. Oscilátorem 8 se změní stejnosměrné napájecí napětí na střídavé napětí obdélníkového průběhu. Tímto střídavým napětím se napájí budicí vinutí 72 napájecího transformátoru 7. V napájecím vinutí 71 napájecího transformátoru 7 se indikuje střídavé napájecí napětí, kterým se přes usměrňovači blok 9 napájí kladná napájecí svorka 13 operačního zesilovače 1 a jeho záporná napájecí svorka 1-1.A DC supply voltage is applied to the first wiring power terminal 04 and the second wiring power terminal 05. Oscillator 8 converts the DC supply voltage to rectangular AC voltage. This AC voltage feeds the drive winding 72 of the power transformer 7. In the power winding 71 of the power transformer 7, an AC power supply is indicated by which the positive power terminal 13 of the operational amplifier 1 and its negative power terminal 1-1 are supplied via the rectifier block.

První modulátor 2 se řídí napětím z prvního řídicího vinutí 73 napájecího transformátoru 7. Druhý modulátor 3 se řídí napětím ze druhého řídicího vinutí 74 napájecího transformátoru 7. Zpětnovazební demodulátor 5 se řídí napětím ze třetího řídicího vinutí 75 napájecího transf-onnátoru 7.The first modulator 2 is controlled by the voltage from the first control winding 73 of the power transformer 7. The second modulator 3 is controlled by the voltage from the second control winding 74 of the power transformer 7. The feedback demodulator 5 is controlled by the voltage from the third control winding 75 of the power transformer 7.

Výstupní demodulátor 6 se řídí napětím ze čtvrtého řídicího vinutí 76 napájecího transformátoru 7. Vstupní napětí se přivádí na vstupní svorku 01 zapojení a otdud na neinvertující vstup 12 operačního zesilovače 1. Zde se vstupní napětí zesílí a z výstupu 15 operačního zesilovače 1 se přivádí na vstupy 21. 31 obou modulátorů 2, 3. Zde se mění stejnosměrné napětí na střídavé a přivádí se na vývody budícího· vinutí oddělovacího transformátoru 4.The output demodulator 6 is controlled by the voltage from the fourth control winding 76 of the power transformer 7. The input voltage is applied to the input terminal 01 of the wiring and thus to the non-inverting input 12 of the operational amplifier 1. Here the input voltage is amplified and output 15 of the operational amplifier 1 31 of both modulators 2, 3. Here, the DC voltage is converted to AC voltage and is applied to the excitation windings of the isolation transformer 4.

Ve zpětnovazebním vinutí 42 oddělovacího transformátoru 4 se indukuje střídavé napětí, které se usměrní ve zpětnovazebním demodulátoru 5. Usměrněné napětí se vede ze zpětnovazebního výstupu 52 zpětnovazebního· demodulátoru 5 ve formě zpětnovazebního signálu na invertující vstup 11 operačního zesilovače 1. Současně se ve výstupním vinutí 43 oddělovacího transformátoru 4 indikuje střídavé výstupní napětí, které se ve výstupním demodulátoru 6 usměrní a přivádí se na první výstupní svorku 02 zapojení a na jeho druhou výstupní svorku 03 jako galvanicky oddělený výstupní signál.An AC voltage is induced in the feedback winding 42 of the isolation transformer 4, which is rectified in the feedback demodulator 5. The rectified voltage is applied from the feedback output 52 of the feedback demodulator 5 in the form of a feedback signal to the inverting input 11 of the operational amplifier 1. the isolation transformer 4 indicates an AC output voltage that is rectified in the output demodulator 6 and applied to the first output terminal 02 of the wiring and to its second output terminal 03 as a galvanically isolated output signal.

Vzhledem k tomu, že zpětnovazební vinutí oddělovacího transformátoru 4 je stejné jako jeho výstupní vinutí 43 a také zpětnovazební demodulátor 5 je shodný s výstupním demodulátorem 6, je přenos celého zapojení určen zpětnou vazbou.Since the feedback winding of the isolation transformer 4 is the same as its output winding 43 and the feedback demodulator 5 is identical to the output demodulator 6, the transmission of the entire circuit is determined by feedback.

Vynálezu se využije v měřicí a automatizační technice pro zesílení milivoltových signálů čidel.The invention will be used in measuring and automation technology to amplify millivolt sensor signals.

Claims

Subject

Wiring of an amplifier with galvanic isolation, characterized in that the input terminal (01J) is connected to a non-inverting input (12) of the operational amplifier (1), whose positive power terminal (13) is connected to the first output (93) of the rectifier block (9) whose first input (91) is connected to a first terminal of the supply winding (71) of the power transformer (7), the second terminal of which is connected to a second input (92) of the rectifier block (9), whose second INVENTION stage (94) is connected to a negative power terminal (14) of an operational amplifier (1) whose output (15) is connected to an input (31) of the second modulator (3) and an input (21) of the first modulator (2) whose control terminals (23, 24) are connected to the terminals of the first control winding (73) of the power transformer (7), the second control winding (74) of which is connected by its terminals to the corresponding control terminals (33, 34) of the other ) is connected to the second terminal of the excitation winding (41) of the isolation transformer (4), the first terminal of which is connected to the output (22) of the first modulator (2) and the first output of the feedback winding (42) of the isolation transformer (4) 51) a feedback demodulator (5), the output of which (52) is coupled to the inverting input (11) of the opamp (1), and the control terminals (53, 54) of the feedback demodulator (5) are connected to terminals a transformer (7), the fourth control winding (76) of which is connected to its corresponding control terminals (63, 64) of the output demodulator (6), whose output (62) is connected to the first output terminal (02) of the circuit, the terminal (04) is connected to the middle terminal of the field winding (72) of the power transformer (7), the terminals of which are connected to the corresponding outputs (82, 83) of the oscillator (8), whose input (81) is connected to a second power supply terminal (05), the second output terminal (03) of which is connected via the output winding (43) of the isolation transformer (4) to the input (61) of the output demodulator (6), (41) of the isolation transformer (4) and the second outlet of its feedback winding (42) is connected to ground.