CS268031B1 - Zapojení nesymetrického měřícího izolačního převodníku napětí k kompenzací chyby napěíového přenosu - Google Patents

Abstract

Vstupní strana izolačního převodníku obsahuje vstupní zesilovač spojený s plovoucí nulou převodníku, modulační obvod přeměňující vstupní stejnosměrné napětí na střídavé, které je pak přiváděno na primární vinutí převodového transformátoru, dále stejnosměrný napájecí obvod vzestupního zesilovače, jehož zdrojem je sekundární vinutí budicího transformátoru s připojenými diodami. Výstupní galvanicky oddělená strana převodníku obsahuje symetrický napájecí zdroj, spojený s nulou převodníku, přičemž ke kladnému a zápornému pólu tohoto zdroje jsou paralelně připojeny generátor obdélníkovitého napětí a výstupní operační zesilovač. Mezi výstupním zesilovačem a sekundárním vinutím převodového transformátoru je zapojen obvod demodulátoru, v němž je přenášený napětový signál usměrňován. Výstup generátoru obdélníkovitého napětí je spojen jednak přes třetí odpor a demodulátorem a jednak s primárním vinutím budicího transformátoru. Kompenzace chyby přenosu je zajišíována odporovou kombinací mezi výstupním operačním zesilovačem a symetrickým napájecím zdrojem v závislosti na dalších prvcích zapojení.

Description

Vynález se týká zapcjení nesymetrického měřícího izolačního převodníku napětí s kompenzací chyby napětcvého přenosu.

V měřicí a regulační technice je třeba často převádět napětové signály o různých napětových úrovních a s cenící se polaritou na galvanicky oddělené výstupní signály s přesně definovanými napětovými přenosy. .

Dosud se tento problém řeší pomocí symetrických diodových nebo tranzistorových modulátorů a demodulátorů, které mohou být napájeny z napěíových nebo proudových zdrojů. Modulátorem se vstupní signál přeměňuje na střídavý, dále se galvanicky odděluje transformátorem a usměrňuje demodulátorem. V některých případech se ke galvanickému oddělení signálů používá zpětnovazebních systémů, využívajících ke své funkci magneticky závislé prvky.

Nevýhodou dosud známých izolačních převodníků jsou jejich poměrně složité obvody, které mají při výrobě značné nároky na materiál a pracnost. Zvláště nevýhodná je konstrukce jejich vícevinutových izolačních transformátorů, které jsou nutné pro funkci izolačních převodníků pracujících na principu symetrických modulátorů a demodulátorů. Jejich vinutí s větším počtem vývodů je nejen značně objemné a výrobně pracné, ale právě tento jejich objem brání dosáhnout vyšší izolační hladiny celého izolačního převodníku.

Uvedené nedostatky odstraňuje zapojení nesymetrického měřícího izolačního převodníku napětí s kompenzací chyby napětového přenosu podle vynálezu, které obsahuje vstupní zesilovač spojený s plovoucí nulou izolačního převodníku a symetrický stejniíměrný napájecí zdroj, jehož nulová svorka je zároveň nulou izolačního převodníku, přičemž ke kladnému a zápornému pólu tohoto zdroje je připojen jednak generátor obdélníkovitého napětí a jednak výstupní operační zesilovač. Podstatou vynálezu je, že kladná napájecí svorka vstupního zesilovače je zapojena mezi katodou první diody a jedním pólem prvního filtračního kondenzátoru, zatímco jeho záporná napájecí svorka je zapojena mezi anodou druhé diody a jedním pólem druhého filtračního kondenzátoru. Zbývající elektrody první a druhé diody jsou společně s jedním koncem prvního odporu spojeny se začátkem sekundárního vinutí budicího transformátoru. Druhý konec prvního odporu je spojen jednak s jedním koncem druhého odporu a jednak s bází modulačního tranzistoru, jehož emitor je spojen s koncem primárního vinutí převodového transformátoru. Začátek tohoto vinutí je spojen s výstupní svorkou vstupního zesilovače, ke které je ještě připojen jeden pól třetího filtračního kondenzátoru, jehož druhý pól je spojen s plovoucí nulou izolačního převodníku, se kterou jsou rovněž spojeny kolektor modulačního tranzistoru, druhý konec druhého odporu, druhé póly prvního a druhého filtračního kondenzátoru a konec sekundárního vinutí budicího transformátoru. Výstup generátoru obdélníkovitého napětí je spojen jednak se začátkem primárního vinutí budicího transformátoru a jednak přes čtvrtý odpor s bází demodulačního tranzistoru, s níž je přes třetí odpor spojen emitor téhož tranzistoru. K jeho kolektoru je připojen začátek sekundárního vinutí převodového transformátoru současně s jedním koncem tlumicího odporu. K emitoru demodulačního tranzistoru je ještě připojen jeden pól pamětového kondenzátoru společně se začátkem odporu dolnofrekvenčního filtru jehož druhý konec je zároveň s jedním pólem kondenzátoru dolnofrekvenčního filtru zapojen do neinvertorujícího vstupu výstupního operačního zesilovače, k jehož výstupu je připojena sériová kombinace prvního, druhého a třetího zpětnovazebního odporu. Invertorující vstup výstupního operačního zesilovače je spojen jednak s anodou kompenzační diody, jejíž katoda je spojena s prvním koncem druhého kompenzačního odporu a jednak je tento invertorující vstup spojen se spojovacím uzlem prvního a druhého zpětnovazebního odporu. Spojovací uzel mezi druhým a třetím zpětnovazebním odporem je přes první kompenzační odpor připojen buď ke kladnému nebo zápornému pólu symetrického napájecího zdroje. K nulové svorce tohoto zdroje jsou společně připojeny druhé konce třetího zpětnovazebního odporu, druhého kompenzačního odporu a tlumicího odporu, druhé póly paměíového kondenzátoru a kondenzátoru dolnofrekvenčního filtru, jakož i konec sekundárního vinutí převodového transformátoru a konec primárního vinutí budicího transformátoru.

268 031 Bl

Zapojením podle vynálezu je oproti dosud známým řešením dosaženo zjednodušení obvodu měřicího izolačního převodníku a zejména je umožněno zjednodušit vinutí obou použitých izolačních transformátorů. Další jeho výhodou je docílení vysoké linearity přenosu napěťového signálu při zachování jeho dobrých dynamických vlastností, jednoduchá vinutí izolačních transformátoru umožňují zvýšit izolační hladinu nesymetrického měřicího převodníku při zachování jeho rozměrů a spolu s jednodušším obvodovým zapojením dává předpoklad ke snížení pracnosti jeho výroby i nákladů na použitý materiál.

Příkladné zapojení nesymetrického měřicího izolačního převodníku napětí s kompenzací chyby napěťového přenosu podle vynálezu je schematicky znázorněno na připojeném výkresu.

Ke kladnému pólu 222 a zápornému pólu 223 symetrického napájecího zdroje 22 jsou zapojeny napájecí vstupy generátoru 23 obdélníkovítého napětí a současně i napájecí vstupy výstupního operačního zesilovače 15, jehož výstup tvoří výstupní svorku 28 popisovaného izolačního převodníku. Symetrický napájecí zdroj 22 sestává ze dvou shodných napájecích zdrojů zapojených do serie, jejichž společný potenciál vytváří nulový potenciál, který je nulou £ odizolované části izolačního převodníku. Napětí obou těchto zdrojů proti nulovému potenciálu je opačných polarit a je symetrické. Vstupní část izolačního převodníku je tvořena vstupním zesilovačem χ, jímž je integrovaný zesilovač s napěťovým výstupem, jeho jedna vstupní svorka 104 je zároveň vstupem izolačního převodníku, jehož plovoucí nula 0/ je spojena s druhou vstupní svorkou vstupního zesilovače L· Kladná napájecí svorka 101 vstupního zesilovače _1 je zapojena mezi katodou první diody 26 a jedním pólem prvního filtračního kondenzátoru 24, zatímco jeho záporná napájecí svorka 102 je zapojena mezi anodou druhé diody 27 a jedním pólem druhého filtračního kondenzátoru 21- Anoda první diody 26 společně s katodou druhé diody 27 a jedním koncem prvního odporu 2 jsou spojeny se začátkem sekundárního vinutí 72 budícího transformátoru. Druhý konec prvního odporu 3 a jeden konec druhého odporu 2 jsou spojeny s bází modulačního tranzistoru 2» jehož emitor je spojen s koncem primárního vinutí 61 převodového transformátoru. Začátek tohoto vinutí 61 je spojen s výstupní svorkou 103 vstupního zesilovače 2, k níž je rovněž připojen jeden pól třetího filtračního kondenzátoru 2> jehož druhý pól je spojen s plovoucí 0/ izolačního převodníku, s níž jsou ještě spojeny kolektor modulačního tranzistoru 2 druhý konec druhého odporu 2, druhé póly prvního a druhého filtračního kondenzátoru 24, 25 a konec sekundárního vinutí 72 budicího transformátoru. V odizolované části izolačního převodníku je výstup generátoru 23 obdélníkovitého napětí spojen jednak se začátkem primárního vinutí 71 budicího transformátoru a jednak přes čtvrtý odpor 11 s bází demodulačního tranzistoru 2, mezi jehož emitorem a b^zí je zapojen třetí odpor 10. Kolektor tohoto tranzistoru 2 3^e společně s jedním pólem tlumicího odporu 2 spojen se začátkem sekundárního vinutí 62 převodového transformátoru, zatímco jeho emitor a zároveň jeden pól paměťového kondenzátoru 12 jsou přes odpor 13 dolnofrekvečního filtru spojeny jednak s jedním pólem kondenzátoru 14 dolnofrekvenčního filtru a jednak s neinvertorujícím vstupem výstupního operačního zesilovače 12· K výstupu tohoto zesilovače 15 jsou sériově připojeny první, druhý a třetí zpětnovazební odpor 16, 17, 1B · přičemž invertorující vstup výstupního operačního zesilovače 15 je spojen jednak s anodou kompenzační diody 29 a jednak se spojovacím uzlem prvního a druhého zpětnovazebního odporu 16, 11· Spojovací uzel mezi druhým a třetím odporem 17, 18 je přes první kompenzační odpor 20 propojen s kladným pólem 222 symetrického napájecího zdroje 22, k jehož nulové svorce 221 jsou připojeny druhé konce třetího zpětnovazebního odporu 18 a tlumicího odporu χ, druhé póly paměťového kondenzátoru 12 a kondenzátoru 14 dolnofrekvenčního filtru, konce sekundárního vinutí 62 převodového transformátoru a primárního vinutí 71 budicího transformátoru, jakož i přes druhý kompenzační odpor 21 katoda kompenzační diody 29.

Vstupní zesilovač X slouží k převedení vstupního maximálního napětí na napěťovou úroveň, vhodnou pro zpracování obvodem modulátoru. Svými dynamickými vlastnostmi zajišťuje minimální zvlnění svého výstupního napětí, kterým je napájen obvod modulátoru, představující impulsní zátěž. Obvod modulátoru je tvořen sériovým zapojením primárního

268 031 Bl ' ^J vinutí 61 převodového transformátoru a modulačního tranzistoru 2 v inverzním zapojení. Použité tranzistory 2> 2 jsou typu NPN. Generátor 23 obdélníkovítého napětí je příkladně tvořen operačním zesilovačem s příslušnou zpětnovazební sítí a je jím buzen výkonový komplementární stupeň. Výstupní obdélníkoví té napětí o střídě přibližně 1:1 má rozkmit amplitudy v rozsahu napájecího napětí symetrického napájecího zdroje 22. Oba použité izolační transformátory jsou navinuty na feritových hrníčkových jádrech z důvodu vyšší pracovní frekvence a oddělují galvanicky plovoucí část izolačního převodníku. Ostatní použité prvky v zapojení jsou běžného typu.

Z výstupu generátoru 23 se obdélníkoví té napětí přivádí na primární vinutí 21 budicího transformátoru, kde se beze změny fáze a amplitudy převádí do jeho sekundárního vinutí 72.· Jelikož je konec sekundárního vinutí 72 spojen s plovoucí nulou izolačního převodníku, vytváří se zde symetrické napájecí napětí pro vstupní zesilovač X, které se polarizuje usměrňovacími obvody připojenými k začátku tohoto sekundárního vinutí 72. První usměrňovači obvod sestávající z první usměrňovači diody 26 a prvního filtračního kondenzátru 24 vytváří kladnou polaritu napájecího napětí a druhý usměrňovači obvod tvořený druhou diodou 27 a druhým filtračním kondenzátorem 25 vytváří jeho zápornou polaritu proti plovoucí nule 0’ izolačního převodníku. Měřený napětový signál, který se připojí mezi vstupní svorku 104 a plovoucí nulu □ ’ izolačního převodníku se přivádí na vstupy vstupního zesilovače χ, z jehož výstupní svorky 103 se napájí obvod modulátoru, na jehož vstup je ještě připojen třetí filtrační kondenzátor 2. Tento kondenzátor 2 odstraňuje vysokofrekvenční zákmity při dynamicky spínané impulsní zátěži, kterou je převodový transformátor, a zároveň snižuje zvlnění napětí na výstupní svorce 103 vstupního zesilovače X, které tento zesilovač χ není schopen svým zpětnovazebním účinkem zcela potlačit. Zajišíuje tak minimální dynamickou chybu přenosu napětí vstupního zesilovače χ. Inverzní zapojení modulátoru zabezpečuje minimální úbytky napětí v sepnutém stavu, vzhledem k maximální úrovni přenášeného napětí obvodem modulátoru. Řídící obvod modulačního tranzistoru 2, kterým je jeho přechod báze - kolektor, je buzen přes první odpor χ ze začátku sekundárního vinutí 72 budicího transformátoru. Druhý odpor χ slouží k ochraně řídicího přechodu modulačního tranzistoru χ. Vzhledem k tomu, že tento tranzistor χ má vodivost NPN, je spínán pouze kladnou polaritou obdélníkovitého napětí, indukovaného v sekundárním vinutí 72 budicího transformátoru. V tomto prvním pracovním taktu modulátoru, kdy je odpor modulačního tranzistoru 2 nulový, je napětí na třetím filtračním kondenzátoru 2 přenášeno převodovým transformátorem na jeho sekundární vinutí 62 s nezměněnou polaritou a amplitudou. Ve druhém pracovním taktu, kdy je na řídícím přechodu modulačního tranzistoru 5 záporná polarita obdélníkovitého napětí, dochází ke zvýšení jeho odporu a následkem toho se ve vinutích 61, 62 převodového transformátoru indukuje napětí opačné polarity, čímž se během tohoto pracovního taktu jeho magnetický obvod odsytí. Předpokladem dokonalého odsycení převodového transformátoru je, aby obě napěíové plochy na jeho vinutích měly během obou pracovních taktů střední nulovou hodnotu. Tuto podmínku zabezpečuje zapojení modulačního tranzistoru 2, který má schopnost udržet v druhém pracovním taktu na svém přechodu emitor - kolektor přibližnou maximální hodnotu závěrného napětí kladné nebo záporné polarity. Při přibližně obdélníkovítém průběhu závěrných napětí dosahují tato napětí přibližně dvojnásobných hodnot než napětí přenášená v prvním pracovním taktu, protože napětí na primárním vinutí 61 převodového transformátoru je v druhém pracovním taktu’ dáno rozdílem mezi napětím na třetím filtračním kondenzátoru 2 ^a závěrným napětím na přechodu emitor - kolektor modulačního tranzistoru £. Maximální záporná hodnota závěrného napětí je dána záporným předpětím na řídicím přechodu modulačního tranzistoru 2, který v tomto pracovním režimu pracuje ve funkci emitorového sledovače. Předpětí na řídicím přechodu modulačního tranzistoru 2 je voleno tak, aby maximální hodnoty závěrných napětí pro obě polarity byly přibližně shodné. Maximální úroveň napětí obou polarit na třetím filtračním kondenzátoru 2 ^můŽB tedy dosáhnout přibližně jedné poloviny hodnoty závěrného napětí přechodu báze - emitor modulačního tranzistoru 2 bez ohrožení přesycení převodového

268 031 Bl transformátoru a tím i ohrožení linearity jeho přenosu napětí. Zátěží sekundárního vinutí 62 převodového transformátoru je tlumicí odpor 8 a paměíový kondenzátor 12. Tlumicí odpor 2 omezuje zakmitávání přenášeného napětí převodovým transformátorem při spínání a rozpínání modulačního tranzistoru 2 ^a přispívá rovněž k odsycení převodového transformátoru. Pamětový kondenzátor 12 je připínán k sekundárnímu vinutí 62 převodového transformátoru demodulačním tranzistorem £ ve fázi prvního pracovního taktu, tedy synchronně se sepnutím modulačního tranzistoru 5. Tím je zajištěn přenos napětí z třetího filtračního kondenzátoru 2 do pamětového kondenzátoru 12. tedy do odizolované části zapojení. Podmínkou pro správnou činnost demodulačního tranzistoru 2 zapojeného^ jako sériový spínač je, aby amplituda obdélníkovitého napětí na výstupu generátoru 23 byla několikanásobně vyšší, než je amplituda střídavého napětí přenášeného převodovým transformátorem. Vzhledem k tomu, že v uvedeném příkladu zapojení je demodulační tranzistor 2 rovněž typu NPN, dochází k jeho sepnutí kladnou polaritou obdélníkovítého napětí přímo z výstupu generátoru 23 přes čtvrtý odpor 11 bez potřeby galvanického oddělení. Podle rozdílu potenciálů na paměíovém kondenzátoru 12 a napětím přenášeným převodovým transformátorem, je řídicím přechodem demodulačního tranzistoru 2 jeho přechod báze - emitor, nebo báze - kolektor. V druhé fázi pracovního taktu, kdy není žádoucí změna napětí na paměíovém kondenzátoru 12, dochází k odpojení sekundárního vinutí 62 převodového transformátoru od paměíového kondenzátoru 12 polarizací přechodu báze - kolektor demodulačního tranzistoru 2 ^v závěrném směru. Žádoucí polarizace přechodu tohoto tranzistoru 2 Ť^e zabezpečena změnou polarity amplitudy obdélníkovitého napětí na výstupu generátoru 23. Při záporné amplitudě obdélníkovitého napětí vzniká působením odporového děliče tvořeného třetím odporem 22 a čtvrtým odporem 11 na bázi demodulačního tranzistoru 2 proti nule 0 izolačního převodníku záporný potenciál napětí, který je vždy vyšší než maximální hodnota záporné amplitudy napětí, přenášená převodovým transformátorem. Třetí odpor 10 přitom omezuje závěrné napětí přechodu báze - emitor demodulačního tranzistoru 2 pod jeho·průraznou hodnotu. V této fázi činnosti obvodu demodulátoru dochází k vybíjení paměíového kondenzátoru 12 přes třetí odpor 10 a čtvrtý odpor 11, který je jedním koncem na přibližném potenciálu záporného pólu 223 symetrického napájecího zdroje 22. I při velké časové konstantě takto vzniklého obvodu, která je mnohonásobně vyšší než taktovací frekvence obdélníkovitého napětí generátoru 23., dochází k malému zvlnění napětí na paměíovém kondenzátoru 12. Toto zvlnění je závislé na velikosti a polaritě přenášeného napětí. Se změnou přenášeného napětí od záporných hodnot do kladných vzrůstá rozdíl potenciálů mezi paměíovým kondenzátorem 12 a zápornou amplitudou obdélníkovitého napětí generátoru 23, čímž vzrůstá vybíjecí proud tekoucí třetím odporem 10 a čtvrtým odporem 11 se vzrůstajícím potenciálem napětí na paměíovém kondenzátoru 12. Následkem toho se zvětšuje zvlnění napětí při přenosu jeho kladné polarity, čímž vzniká určitá nesymetrie při přenosu obou polarit měřeného napětí. Přenos kladné polarity měřeného napětí je vlivem většího zvlnění přenášeného napětí na paměíovém kondenzátoru 12 zatížen větší chybou, než přenos záporné polarity měřeného napětí. Tato nesymetrie obvodu demodulátoru má i určitý vliv na chybu přenosu nulového napětí. Střídavá složka napětí na paměíovém kondenzátoru 12 je potlačována dolnofrekvenčním filtrem, který je tvořen odporem 13 dolnofrekvenčního filtru a kondenzátorem 14 dolnofrekvenčního filtru. Výstupní operační zesilovač 15, zajišíující požadovaný přenos, zároveň zajišíuje kompenzaci chyb způsobených částečnou nesymetrií zapojení. Třetí zpětnovazební odpor 22, jehož hodnota jennohoiásobně nižší než hodnota prvního zpětnovazebního odporu 16 a druhého zpětnovazebního odporu 17, vytváří zdroj referenčního napětí, vynucený průtokem proudů kompenzačním odporem 20. Podle velikosti proudu a jeho polarity lze kompenzační odpor 20 připojit buď na kladný pól 222 nebo na záporný pól 223 symetrického napájecího zdroje 22, čímž je umožněno měnit hodnotu napětí zdroje referenčního napětí. V obou případech lze tak vykompenzovat chybu přenosu nulového napětí izolačního převodníku.

268 031 Bl

Řešení podle vynálezu je možno využít všeobecně měřící a regulační technice.

Claims (1)

1. Předmět vynálezu

   Zapojení nesymetrického měřicího izolačního převodníku napětí s kompenzací chyby napětového přenosu, obsahující vstupní zesilovač spojený s plovoucí nulou izolačního převodníku a symetrický stejnosměrný napájecí zdroj, jehož nulová svorka je zároveň nulou izolačního převodníku a k jehož kladnému a zápornému pólu jsou paralelně připojeny generátor obdélníkovitého napětí a výstupní operační zesilovač, vyznačené tím, že kladná napájecí svorka (101) vstupního zesilovače (1) je zapojena mezi katodou první diody (26) a jedním pólem prvního filtračního kondenzátoru (24), zatímco jeho záporná napájecí svorka (102) je zapojena mezi anodou druhé diody (27) a jedním pólem druhého filtračního kondenzátoru (25), přičemž zbývající elektrody první a druhé diody (26, 27) jsou společně s jedním koncem prvního odporu (3) spojeny se začátkem sekundárního vinutí (72) budicího transformátoru, dále jsou druhý konec prvního odporu (3) a první konec druhého odporu (4) spojeny s bází modulačního tranzistoru (5), jehož emitor je spojen s koncem primárního vinutí (61) převodového transformátoru, jehož začátek je spojen s výstupní svorkou (103) vstupní zesilovače (1), ke které je rovněž připojen jeden pól třetího filtračního kondenzátoru (2), jehož druhý pól je spojen s plovoucí nulou (0) izolačního převodníku s níž jsou ještě spojeny kolektor modulačního tranzistoru (5), druhý konec druhého odporu (4), druhé póly prvního a druhého filtračního kondenzátoru (24, 25) a konec sekundárního vinutí (72) budicího transformátoru, přičemž výstup generátoru (23) obdélníkovitého napětí je spojen jednak se začátkem primárního vinutí (71) budicího transformátoru a’jednak přes čtvrtý odpor (11) s bází demodulačního tranzistoru (9), mezi jehož emitorem a bází je připojen třetí odpor (10) a k jehož kolektoru je připojen začátek sekundárního vinutí (62) převodového transformátoru současně s jedním koncem tlumicího odporu (8) a k emitoru tohoto tranzistoru (9) je ještě připojen jeden pól paměťového kondenzátoru (12) společně se začátkem odporu (13) .

   dolnofrekvečního filtru, jehož druhý konec je zároveň s jedním pólem kondenzátoru (14) dolnofrekvenčního filtru zapojen do neinvertorujícího vstupu výstupního operačního zesilovače (15), k jehož výstupu je připojena sériová kombinace prvního, druhého a třetího zpětnovazebního odporu (16, 17, 18), přičemž invertorující vstup výstupního operačního zesilovače,· (15) je spojen jednak s anodou kompenzační diody (29), jejíž katoda je zapojena s prvním koncem druhého kompenzačního odporu (21) a jednak se spojovacím uzlem mezi prvním a druhým zpětnovazebním odporem (16, 17), zatímco ke spojovacímu uzlu mezi druhým a třetím zpětnovazebním odporem (17, 18) je pres první kompenzační odpor (20) připojen jeden z pólů (222, 223) symetrického napájecího zdroje (22), k jehož nulové svorce jsou společně připojeny druhé konce třetího zpětnovazebního odporu (18), druhého kompenzačního odporu (21) a tlumicího odporu (8), druhé póly paměťového kondenzátoru (12) a kondenzátoru (14) dolnofrekvenčního filtru, jakož i konce sekundárního vinutí (62) převodového transformátoru a primárního vinutí (71) budicího transformátoru.