JP2006352283A

JP2006352283A - 絶縁変換装置

Info

Publication number: JP2006352283A
Application number: JP2005173031A
Authority: JP
Inventors: Yu-Bin Chao; 育彬趙
Original assignee: Delta Electronics Inc
Current assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2005-06-13
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2006-12-28

Abstract

【課題】電圧信号および電流信号等、複数の入力信号形態に利用でき、かつ他回路からの雑音の影響を取り除くために、入力端と制御端を電気的に絶縁されるアナログ信号変換装置を提供する。
【解決手段】アースから信号源を絶縁するための絶縁変換装置であって、フィルター１からの出力信号を受信し基準信号を出力する増幅回路２と、前記基準信号を受信し前記基準信号のノイズを遮断する絶縁回路３と、電圧フォロア４を有する。絶縁回路３にはフォトカプラを備え、増幅された入力信号を一度光信号に変換し、電気的に絶縁後再度電気信号に戻してバッファーを通して出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電圧信号、電流信号、大電流信号などのアナログ信号に対する変換に利用される絶縁変換装置に関する。より詳細には、本発明は、独立した入力電源と絶縁光結合器を有するアナログ信号変換装置に関するものである。

現在、アナログ信号からデジタル信号への変換は、自動制御および計測などを必要とする分野において利用され、電子機器、電気機器などの制御に幅広く用いられている。

図１に、アナログ信号をデジタル信号に変換する従来の変換器の回路図を示す。

図１に示した変換器において、入力信号（例えば、電圧信号または電流信号）は、増幅器によって比例的に増幅される。そして、増幅された信号は、外部に配置される制御端（例えば、ＣＰＵなど）へ送信される。

理想的な増幅器が有する機能としては、なるべく増幅器の回路に影響を与えないように入力信号を受信し、出力信号は適切な定電圧源として後段の回路を駆動できることおよび高い増幅率を持つことなどが挙げられる。

そのため、入力信号源は、電圧信号においては０〜１０Ｖ、電流信号においては０〜２０ｍＡの範囲に制限されることが多い。

また、入力信号に応じて異なる入力インピーダンスを選択することになるので、回路を設計する上で、電圧信号および電流信号は、各々独立して入力した方が好ましいといえる。

入力信号が電圧信号のみならず電流信号でもある場合には、アナログ信号をデジタル信号に変換する変換器は、スイッチング素子として、またオペアンプを有する増幅回路として利用される。

このように、アナログ信号をデジタル信号に変換する従来の変換器は、単一の信号の動作モードに制限されるので、入力信号として、電圧信号および電流信号の双方が使用される場合は実用的ではない。

前述したように、入力インピーダンスは入力信号に従って選択されるが、入力インピーダンスを入力信号ごとに適切に選択することができれば、動作モードの制限を解決することができる。

ところが、インピーダンスを入力信号ごとに選択しても、回路に発生するノイズなどの影響を考慮すると、依然として、入力信号の大きさの範囲を制限する必要がある（例えば、数ｍＡに制限など）。

また、制御端、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）などは、回路から発生するノイズの影響を受けるため、駆動させる回路にも影響を及ぼす。

さらに、大電流信号の場合はノイズが大きく発生し、ノイズの影響により制御端はフェッチできなくなり、そのため、駆動させようとする回路が誤作動を起こし、破損する可能性もある。

このようなノイズの影響を除去する回路の選定は難しく、ノイズの影響を少なくするために大電流信号を小電流信号に変換する変換モジュール、例えば、電流トランスなどを回路の最前段に設置する必要がある。

その結果、電気回路は複雑化し、コストが高くなるという問題点がある。

さらに、アナログ信号をデジタル信号に変換する従来の変換器では、電流信号および電圧信号を同時に処理することができないので、入力信号に応じて別々に入力端子や回路を設けなければならないという問題点もある。

本発明は、以上のような、従来の変換器の問題点を解決するために成されたものであり、複数の電気信号に利用できる小型でかつ安価なアナログ信号絶縁変換装置の提供を目的とする。

本発明は、独立した入力源と単純な切り替えスイッチを備えている。後段の光接合器はインターフェースを介して入力されてくるアナログ信号を遮断するために用いられる。本発明はさらに、大電流信号に対して適用することができ、高コスト変換器の問題点を解決する。そのため、回路配置は小型になり簡易化される。

したがって、本発明の絶縁変換装置は次のように構成される。

アースから信号源を絶縁するための絶縁変換装置であって、フィルターからの出力信号を受信し基準信号を出力する増幅回路と、前記基準信号を受信し前記基準信号のノイズを遮断する絶縁回路と、を有することを特徴とする。

以上のように本発明では、複数の電気信号を統一する機能を有し、光結合器によって電気的に絶縁されるので、ノイズや短絡の影響を除去することができる。また、電流トランスなど、他の回路を設置するための追加領域を確保する必要がなく、従来よりも回路は小型化かつ単純化し、安価なアナログ信号変換装置を提供することができる。

以下に、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図２は、本発明のアナログ信号絶縁変換装置の概略を示すブロック図である。

本発明のアナログ信号絶縁変換装置は、フィルター回路１と、オペアンプ２と、絶縁回路３と、電圧フォロア回路４とから構成される。本発明のアナログ信号絶縁変換装置は、電圧信号、電流信号または大電流信号に対してアナログ信号変換を可能とし、さらに、入力端と出力端を電気的に絶縁することで、ノイズの影響などを受けないようにしたものである。この結果、回路は単純化し小型化される。

図３に本発明の好ましい実施形態を示す。

フィルター回路１は、入力端部で入力信号と接続され、入力信号のリップルを減少させる機能を有する回路である。フィルター回路１は、高電力および低抵抗抵抗器である分圧抵抗器Ｒ１を有し、分圧抵抗器Ｒ１は、入力信号が大電流信号である場合に、抵抗器Ｒ１によって、大部分の電流を抵抗器Ｒ１側に流すことができる。この結果、入力信号源が従来の数ｍＡと比較して様々なアンペアで利用することが可能になる。

増幅回路２は、フィルター回路１の出力端部に接続され、フィルター回路１の出力信号を所定の値に増幅させた信号を出力する機能を有する回路である。増幅回路２は、複数の抵抗器、オペアンプ２１と、オペアンプ２１と同じ基準レベルの信号を出力するためのスイッチユニット２２とからなる。オペアンプ２１は、フィルター回路１からの出力信号Ｖ２を受けるためにフィルター回路１に接続される。スイッチユニット２２は、入力電圧および電流信号を適合させるために、入力信号に応じてのスイッチ動作、すなわち、オペアンプ２１に接続される抵抗器Ｒ２，Ｒ３及びＲ４間を切り換える動作をする。オペアンプ２１による増幅比、すなわち、スイッチ接点１−２とスイッチ接点２−３での増幅比は、以下の式で表せる。

スイッチ接点１−２Ｖ２＝Ｖ３
スイッチ接点１−３Ｖ２＝（１＋Ｒ３／Ｒ４）Ｖ３

絶縁回路３は、入力端と出力端を、光結合器によって電気的に絶縁させる機能を有する回路である。絶縁回路３は、増幅回路２の出力端部に接続され、コンパレータ３１と光結合器３２からなる。光結合器３２は、入力信号と出力信号を電気的に絶縁するための素子である。また、出力端および入力端の電気的な絶縁は、光結合器３２とアースによって達成される。コンパレータ３１は、アナログ信号を処理するために、増幅回路２の出力信号Ｖ３を受信し、出力信号Ｖ３と同位相で出力する。コンパレータ３１によって処理された信号は、抵抗器Ｒ５及びＲ６によって分圧され、その分圧された出力信号Ｖ４は、下記に示す式で表される。

Ｖ４＝（Ｒ６／Ｒ５）Ｖ３

絶縁回路３から出力された出力信号Ｖ４は、電圧フォロアの非反転端部に送信される。電圧フォロア５は、インピーダンス変換に利用される非反転増幅器で、入力電圧がそのまま出力電圧となる（すなわち、増幅比は１となる）機能を有する回路である。絶縁回路３からの出力信号Ｖ４は、電圧フォロアの非反転端部に送信され、出力信号Ｖ５は制御端に送信される。したがって、最終的な出力信号Ｖ５は、以下の式で表される。

Ｖ５＝Ｖ４

上記の回路では、入力端が出力端からの影響を最小限にするために出力端から絶縁される。抵抗器Ｒ５とＲ６を持つ光結合器３２の提供は、制御端のアースの影響を抑制する。さらに、入力端が短絡しても、制御端を保護することができる。

さらに、本発明の絶縁変換装置は、電圧信号のみならず電流信号の入力も可能とするので実用性が増す。入力部は、設置スペースをとることもなく回路配置も小型化、単純化できる。

図４は、他の好ましい実施形態である絶縁変換装置であり、図２および図３に示したものと類似する回路である。

この実施形態では、絶縁回路からの出力信号Ｖ４を所望の電圧値に調整できるようにするため、図３における抵抗器Ｒ６を可変抵抗器Ｒ７に置換したものである。可変抵抗器Ｒ７を用いたことにより、より好適な出力信号Ｖ５を得ることができる。

このように、アナログ信号をデジタル信号に変換する従来の変換器では、単一の信号の動作モードで使用されるが、本発明では、複数の入力信号の動作モードで利用できる。また、本発明では、絶縁回路３を設けたことにより、入力端と制御端が電気的に絶縁されるので、ノイズなどの影響を大きく抑制し、入力端が短絡した場合であっても、制御端を保護することができる。また、本発明は、電圧信号のみならず電流信号にも利用できるので、従来の変換器に比べ、より実用性が増すことになる。また、本発明は、大電流信号に対しても適用でき、高コスト変換器の問題を解決することができる。また、本発明は、電流トランスなど、他の回路を設置するための追加領域を確保する必要がなく、従来よりも回路は小型化かつ単純化し、安価なアナログ信号変換装置を提供することができる。

本発明は、アナログ信号変換装置を使用する電気機器などの分野で利用することができる。

従来のアナログ信号からデジタル信号への変換器の回路図である。本発明の好ましい実施形態のブロック図である。本発明の好ましい実施形態の回路図である。本発明の好ましい他の実施形態の回路図である。

符号の説明

１フィルター回路
２増幅回路
３絶縁回路
４電圧フォロア
２１オペアンプ
２２スイッチユニット
３１コンパレータ
３２光結合器
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６抵抗器
Ｒ７可変抵抗器
Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５電圧信号

Claims

アースから信号源を絶縁するための絶縁変換装置であって、
フィルターからの出力信号を受信し基準信号を出力する増幅回路と、
前記基準信号を受信し前記基準信号のノイズを遮断する絶縁回路と、
を有することを特徴とする絶縁変換装置。
前記増幅回路は、オペアンプ、スイッチユニットおよび複数の抵抗器を含むことを特徴とする請求項１に記載の絶縁変換装置。
前記絶縁回路は、コンパレータと光結合器とを含むことを特徴とする請求項１に記載の絶縁変換装置。
前記絶縁回路は、光結合器の入力端に接続される第１抵抗器と分圧器を形成するために前記光結合器の出力端に接続される第２抵抗器とをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の絶縁変換装置。
前記第２抵抗器は可変抵抗器であることを特徴とする請求項４に記載の絶縁変換装置。
前記増幅回路の入力端に接続されるフィルターをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の絶縁変換装置。
前記フィルターは、高出力かつ低抵抗の精密な電流分割抵抗器を含むことを特徴とする請求項６に記載の絶縁変換装置。
前記絶縁回路の出力端に接続される電圧フォロワ回路をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の絶縁変換装置。
前記電圧フォロワ回路はオペアンプであることを特徴とする請求項８に記載の絶縁変換装置。
前記信号源は、電圧信号源、電流信号源または大電流信号源であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁変換装置。