JP3155866B2 - アイソレ―ションアンプ - Google Patents

アイソレ―ションアンプ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、各種計装分野におい
て、コモンモ―ドノイズの影響を除去するために入出力
信号の絶縁を必要とするシステムに適用されるアイソレ
―ションアンプに係り、特に二次側に絶縁電源を必要と
せず、また特に信号の高速化技術を必要とせずに、高精
度でかつシンプルしかも安価な構成で、入力信号に比例
した絶縁出力を得られるようにしたアイソレ―ションア
ンプに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来から、各種計装分野においては、コ
モンモ―ドノイズの影響を除去するために入出力信号の
絶縁を必要とするシステムに、アイソレ―ションアンプ
が多く適用されてきている。そして、このアイソレ―シ
ョンアンプとしては、入力信号に比例してパルス幅のデ
ュ―ティ比が変化するパルス幅変調回路(以下、PWM
変調回路と称する)を有するアイソレ―ションアンプ等
が用いられている。
【0003】図5は、この種のPWM変調回路を有する
アイソレ―ションアンプの構成例を示す回路図である。
すなわち、アイソレ―ションアンプは、図5に示すよう
に、PWM変調されたパルス信号を、半デジタル信号と
してとらえ、絶縁トランスまたはフォトカプラにより信
号を絶縁し、二次側にてパルス幅のデュ―ティ比に応じ
て絶縁電源(基準電圧)をスイッチング、平滑して、絶
縁した信号を得るようにしている。
【0004】しかしながら、このようなアイソレ―ショ
ンアンプでは、二次側にも絶縁した電源(絶縁電源)を
必要としたり、また正確なデュ―ティ比を二次側に伝え
るために信号の高速化技術が不可欠であることから、高
精度化のためにも不都合が生じている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
アイソレ―ションアンプにおいては、二次側に絶縁電源
を必要とし、また信号の高速化技術を必要とすることか
ら、コスト的にも、高精度化の上でも問題があった。
【0006】本発明の目的は、二次側に絶縁電源を必要
とせず、また特に信号の高速化技術を必要とせずに、高
精度でかつシンプルしかも安価な構成で、入力信号に比
例した絶縁出力を得ることが可能な極めて信頼性の高い
アイソレ―ションアンプを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明では、入力信号に比例してパルス幅のデュ―
ティ比が変化するパルス幅変調回路を有するアイソレ―
ションアンプにおいて、パルス幅変調回路からのパルス
出力を、零ボルトを基準にデュ―ティ比に比例して正,
負の電圧波高値を変化させるようにコンデンサカップリ
ングし、コンデンサカップリングされた信号を絶縁トラ
ンスを介して絶縁し、絶縁トランスの二次側にて正また
は負の片側の電圧波高値を同期整流、ホ―ルドして、入
力信号に比例した絶縁出力を得るようにしている。
【0008】
【作用】従って、本発明のアイソレ―ションアンプにお
いては、パルス幅変調回路のパルス出力が、コンデンサ
カップリングされ、絶縁トランスを介して出力されるこ
とで、アナログ信号として信号が伝送され、さらに二次
側にて正または負の電圧波高値が、同期整流、ホ―ルド
されて、入力信号に比例した絶縁出力が得られる。
【0009】これにより、二次側に絶縁電源を必要とせ
ず、またアナログ信号のため、特に信号の高速化技術を
必要とせず、高精度で、シンプルな構成とすることがで
きる。
【0010】
【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して詳細に説明する。図1は、本発明によるアイソレ―
ションアンプの構成例を示す回路図である。すなわち、
本実施例のアイソレ―ションアンプは、図1に示すよう
に、入力信号e1 に比例してパルス幅のデュ―ティ比が
変化するPWM変調回路1からのパルス信号を、零ボル
ト(0V)を基準にデュ―ティ比に比例して正,負の電
圧波高値を変化させるように、カップリングコンデンサ
C2によりコンデンサカップリングし、このコンデンサ
カップリングされた信号を絶縁トランスT1を介して絶
縁し、さらにこの絶縁トランスT1の二次側にて、正ま
たは負の片側の電圧波高値を同期整流器2で同期整流
し、ホ―ルドコンデンサC3でホ―ルドして、入力信号
1 に比例した絶縁信号e2 を得る構成としている。
【0011】ここで、PWM変調回路1は、積分器A1
と、コンパレータA2 と、各抵抗器R,R1 ,R2 と、
コンデンサC1 と、電源VB とを、図示のように接続し
てなっている。
【0012】また、同期整流器2は、抵抗器Rと、ダイ
オードDと、FETスイッチQ1 とを、図示のように接
続してなっている。次に、以上のように構成した本実施
例のアイソレ―ションアンプの動作について説明する。
【0013】図1において、PWM変調回路1からのパ
ルス信号は、カップリングコンデンサC2 によりコンデ
ンサカップリングされ、絶縁トランスT1 を介して出力
されることで、アナログ信号として信号が伝送され、さ
らに二次側にて正または負の電圧波高値が、同期整流器
2で同期整流、ホ―ルドコンデンサC3 でホ―ルドされ
て、入力信号e1 に比例した絶縁信号e2 が得られる。
【0014】次に、かかる点について、図2に示す波形
図を用いてより具体的に説明する。まず、コンパレ―タ
2 の出力が、“1”の区間をta 、“0”の区間をt
bとすると、ta 区間の積分器A1 の出力eK は、
【0015】
【数1】 ここで、eK 、R0 、C1 は、固定値となるのでKと置
くと、
【0016】
【数2】 次に、tb の区間の積分器A1 の出力eK は、
【0017】
【数3】 ここで、eK 、R0 、C1 は、固定値でKと置いたの
で、
【0018】
【数4】
【0019】ここで、ta ,tb の変化比(パルス幅デ
ュ―ティ比)D,を求めると、D=ta /(ta +t
b )となるので、上記(1),(2)式を代入して求め
ると、
【0020】
【数5】 となり、入力電圧信号e1 に比例する。また、デュ―テ
ィ比は、=tb /(ta +tb )となるので、上記
(1),(2)式を代入して求めると、
【0021】
【数6】 となり、入力電圧信号e1 に比例する。
【0022】ここで、(4)式のデュ―ティ比から得
られたPWM変調出力を、平滑し平均値化すると、出力
電圧はVB ×(e1 /VB )となり、入力電圧と全く等
しい電圧が得られる。
【0023】また、(3)式のデュ―ティ比Dから得ら
れたPWM変調出力を、カップリングコンデンサC2
よりコンデンサカップリングすると、図2に示すよう
に、コンデンサの作用により、0Vを基準に正,負のパ
ルス幅出力に変換され、その正のパルス波高値は、入力
電圧信号e1 と全く等しい波高値が得られる。すなわ
ち、正の波高面積と、負の波高面積とが等しくなるよう
に分割されるため、入力電圧信号e1 と等しい波高値が
得られることになる。
【0024】従って、コンデンサカップリングしたPW
M変調出力を、絶縁トランスT1 を介して二次側に伝送
することにより、絶縁トランスT1 の二次側巻線にも同
様の出力が得られる。さらに、この出力を、絶縁トラン
スT1 と一緒に巻いた一次と同期した二次巻線出力によ
り、FETスイッチQ1 をドライブして、正の波高値の
みを同期整流し、ホールドコンデンサC3 にホ―ルドさ
せることにより、二次側に入力電圧信号e1 と比例した
絶縁出力信号e2 を取り出すことができる。
【0025】このようにして、簡単な構成で、二次側に
絶縁電源を必要とせず、また信号の高速化技術等も必要
のない、さらには電源電圧の変動や積分器A1 のコンデ
ンサC1 の容量変化、コンパレ―タA2 のコンパレ―ト
レベル等、(3),(4)式から示すように影響を受け
ない、高精度,低コストのアイソレ―ションアンプを構
成することができる。
【0026】上述したように、本実施例のアイソレ―シ
ョンアンプは、入力信号e1 に比例してパルス幅のデュ
―ティ比が変化するPWM変調回路1からのパルス信号
を、零ボルト(0V)を基準にデュ―ティ比に比例して
正,負の電圧波高値を変化させるように、コンデンサC
2 によりコンデンサカップリングし、このコンデンサカ
ップリングされた信号を絶縁トランスT1 を介して絶縁
し、さらにこの絶縁トランスT1 の二次側にて、正また
は負の片側の電圧波高値を同期整流器2で同期整流し、
ホ―ルドコンデンサC3 でホ―ルドして、入力信号e1
に比例した絶縁信号e2 を得る構成としたものである。
【0027】従って、PWM変調回路1の出力が、コン
デンサカップリングされ、絶縁トランスT1 を介して出
力されることにより、アナログ信号として信号が伝送さ
れ、二次側にて正または負の電圧波高値が同期整流、ホ
ールドされて、入力信号e1に比例した絶縁信号e2
得られるため、従来技術の問題であった、二次側に絶縁
電源を必要とせず、またアナログ信号のため、特に信号
の高速化技術を必要とせず、高精度で、シンプルで、安
価な構成とすることが可能となる。
【0028】尚、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、次のようにしても同様に実施できるものであ
る。 (a)図3は、上記図1の実施例における絶縁トランス
1 の二次巻線を一つとし、同期整流をフォトカプラP
Cにより行なうようにしたものであり、上記実施例の場
合と同様に動作し、前述と同様の効果が得られるもので
ある。
【0029】(b)図4は、上記図1の実施例における
コンデンサカップリングの機能を、インバータIVを有
する絶縁トランスT1 により行なうようにしたものであ
り、上記実施例の場合と同様に動作し、前述と同様な結
果が得られるものである。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、入
力信号に比例してパルス幅のデュ―ティ比が変化するパ
ルス幅変調回路を有するアイソレ―ションアンプにおい
て、パルス幅変調回路からのパルス出力を、零ボルトを
基準にデュ―ティ比に比例して正,負の電圧波高値を変
化させるようにコンデンサカップリングし、コンデンサ
カップリングされた信号を絶縁トランスを介して絶縁
し、絶縁トランスの二次側にて正または負の片側の電圧
波高値を同期整流、ホ―ルドして、入力信号に比例した
絶縁出力を得るようにしたので、二次側に絶縁電源を必
要とせず、また特に信号の高速化技術を必要とせずに、
高精度でかつシンプルしかも安価な構成で、入力信号に
比例した絶縁出力を得ることが可能な極めて信頼性の高
いアイソレ―ションアンプが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるアイソレ―ションアンプの一実施
例を示す回路図。
【図2】同実施例における動作を説明するための波形
図。
【図3】本発明によるアイソレ―ションアンプの他の実
施例を示す回路図。
【図4】本発明によるアイソレ―ションアンプの他の実
施例を示す回路図。
【図5】従来のPWM変調回路を有するアイソレ―ショ
ンアンプの構成例を示す回路図。
【符号の説明】
1…PWM変調回路、2…同期整流器、C1 …コンデン
サ、C2 …カップリングコンデンサ、C3 …ホ―ルドコ
ンデンサ、T1 …絶縁トランス、A1 …積分器、A2
コンパレータ、R,R1 ,R2 …抵抗器、VB …電源、
D…ダイオード、Q1 …FETスイッチ、PC…フォト
カプラ、IV…インバータ。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力信号に比例してパルス幅のデュ―テ
    ィ比が変化するパルス幅変調回路を有するアイソレ―シ
    ョンアンプにおいて、 前記パルス幅変調回路からのパルス出力を、零ボルトを
    基準にデュ―ティ比に比例して正,負の電圧波高値を変
    化させるようにコンデンサカップリングし、 前記コンデンサカップリングされた信号を絶縁トランス
    を介して絶縁し、 前記絶縁トランスの二次側にて前記正または負の片側の
    電圧波高値を同期整流、ホ―ルドして、前記入力信号に
    比例した絶縁出力を得るようにしたことを特徴とするア
    イソレ―ションアンプ。
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