JPS5820013A

JPS5820013A - 絶縁増幅器

Info

Publication number: JPS5820013A
Application number: JP56117706A
Authority: JP
Inventors: Takao Sato; 隆雄佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-07-29
Filing date: 1981-07-29
Publication date: 1983-02-05
Also published as: JPH0159761B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、絶縁増幅器に関し、特に入出力回路間を光ア
イソレータを用いて電気的に絶縁した絶縁増幅器に関す
る。

制御用計算機のプロセス入力回路や人体計測器では、電
位差が大きい被測定体と計算機の間または被測定体と計
測器の間を、電気的に絶縁する必要がある。これは、人
体および計算機に大きな電位が加わらないようにして安
全性を高めるものである。

従来、この目的に使用する絶縁増幅器としては、第１図
に示すトランス型のものがある。このトランス型の絶縁
増幅器は、入力端子ｌＯに印加された入力信号を増幅器
１１で所定のレベルまで増幅し、それをモジュレータ１
２で入力電圧に比例したパルス幅または電圧−周波数変
換してトランスで構成するアイソレータ１３に加える。

アイソレータ１３の２次側の出力を、デモシュレータ１
４で再び電圧に変換し、その後、増幅器１５で増幅して
出力端子１６より取出す。このようなトランス型の絶縁
増幅器は、入出力端子間の信号の伝送精度は比較的高く
できるが、回路が複雑であってしかもトランスを用いる
ため小型化には限度がある。

第２図は、光アイソレータを用いた絶縁増幅器である。

この絶縁増幅器は、入力端子１０に印加される入力信号
を抵抗２０および増幅器１１を通して変調することなく
フォトダイオード２２に加えて光に代え、その光をフォ
トトランジスタ２３で受光して増幅器１５で増幅し、出
力端子１６よシ取出すものである。２１．２４および２
５は抵抗である。アイソレータ３１は、フォトダイオー
ド２２およびフォトトランジスタ２３によって構成され
る。光アイソレータ方式の絶縁増幅器は、小型化ができ
るが信号伝送精度が低い。

本発明の目的は、絶縁増幅器の信号伝送精度を向上させ
ることにある。

本発明の特徴は、第１フイソレータの出力を入力する出
力回路の出力信号を入力して、しかも、第１フイソレー
タに信号を送る入力回路に信号を負帰還させる第２アイ
ソレータを設けたことにある。

本発明は、従来の光アイソレータ方式の絶縁増幅器の信
号伝送特性を詳細に検討することによってなされた。こ
の絶縁増幅器に用いられるフォトアイソレータのフォト
ダイオードの特性が第３図に示すような非線形特性を有
しており、これが光アイソレータ方式の絶縁増幅器の信
号伝送精度を低下させていることが判明した。種々の実
験を行なった結果、フォトダイオードおよびフォトトラ
ンジスタにて構成される前向き経路のフォトアイソレー
タの出力、すなわちフォトトランジスタの出力を、後向
き経路を構成する別のフォトアイソレータを用いて前向
き経路のフォトダイオードの入力側に負帰還させること
によってフォトダイオードの非線形特性を克服して信号
伝送精度を向上できることがわかった。

本発明の絶縁増幅器の概念を第４図に基づいて説明する
。第１図と同様に入力信号ｅ、は入力端子１０に印加さ
れ、出力信号ｅ。が出力端子１６より取出される。入力
信号ｅＩは、増幅器を有する入力回路４０、アイソレー
タ３０Ａおよび増幅、器を有する出力回路４１を経て出
力端子１６に達する。出力回路４１の出力信号は、アイ
ソレータ３０Ｂを介して入力回路４０の入力側にフィー
ドバックされる。アイソレータ３０Ａおよび３０Ｂは、
入力側と出力側の間で絶縁されている。

第４図の入力回路４０、アイソレータ３０Ａおよび出力
回路４１を連絡する前向き経路のゲインをα、出力回路
４１の出力信号をアイソレータ３０Ｂを経て入力回路４
０に伝える後向き経路のゲインをβとすると、絶縁増幅
器の入出力電圧の間の関係式は、次式のように表わされ
る。

したがって、アイソレータ３０Ａおよび３０Ｂに非線形
特性があっても、その影響は１／（α・β）倍されて出
力側に現われるので、入出力電圧の間の非直線性は理論
的には無限に改善することができる。この非直線性は、
例えば、前向き経路にオープンルーズゲインの大なる増
幅器を用いることによって、またはアイソレータ３０Ｂ
が出力信号ｅｏのレベルに無関係に同一の点で動作する
ことによって、効果的に改善できる。アイソレータを有
する後向き回路を設けることが本発明の特徴であシ、例
えば入出力回路に一般に入手し得る演算増幅器を使用す
ることによって十分な精度が得られることが容易に理解
できよう。

第５図は、本発明の好適な一実施例である絶縁増幅器を
示している。本実施例は、光アイソレータを使用する場
合の例である。本実施例の絶縁増幅器２０は、フォトア
イソレータ３１Ａお倉よび３１Ｂを１有している。フォ
トアイソレータ３１Ａおよび３１Ｂは、フォトダイオー
ド２２Ａおよび２２Ｂ、フォトトランジスタ２３Ａおよ
び２３Ｂにてそれぞれ構成される。入力端子１０は、抵
抗２０を介して入力増幅器１１に接続される。入力増幅
器１１の出力側と入力側を接続する閉回路に、フォトダ
イオード２２Ａが取付けられる。フォトダイオード２２
Ａに対向して配置されるフォトトランジスタ２３Ａの出
力端および入力端は、それぞれ出力増幅器１５に接続さ
れる。直列に接続された抵抗２４および２５が、フォト
トランジスタ２３Ａと並列に配置される。出力増幅器１
５の出力端が、出力端子１６に接続される。出力増幅器
１５の出力端は、抵抗５２を介してフォトトランジスタ
２３Ａの入力端に連絡される回路に接続される。入力増
幅器１１、フォトアイソレータ３１Ａおよび出力増幅器
１５と連絡される回路が、前向ソレータと増幅器を有し
ている。この増幅器は、少なくとも出力回路に設けられ
る。入力回路の増幅器は、計１１１器の出力信号（電気
信号）が弱くて増幅する必要がある場合に設けられる。

高電圧の母線から直接、高電圧の電気信号を入力回路に
入力させた場合のように信号の増幅が必要ない場合には
、増幅器は入力回路に設けられず、電気信号は、入力回
路を通ってフォトアイソレータに人力される。

出力増幅器１５の出力端は、抵抗５３を介して演算増幅
器５７に接続される。フォトダイオード２２Ｂは、演算
増幅器５７の出力端とその入力端を連絡する閉回路に設
けられる。フォトダイオード２２Ｂに対向して配置され
るフォトトランジスタ２３Ｂの入力端および出力端は、
それぞれ演算′増幅器５Ｂに接続される。直列に接醪さ
れる抵、抗５５および５６が、フォトトランジスタ２３
Ｂに並列に配置される。演算増幅器５８の出力端は、抵
抗５１を介して入力増幅器１１の入力端に接続　　”さ
れる。また、演算増幅器５８の、出力端は、抵抗５４を
介してフォトトランジスタ２３Ｂの入力端に連絡される
回路に接続される。演算増幅器５７−フォトアイソレー
タ３１Ｂおよび演算増幅器’５　Ｂを連絡する回路が、
後向き経路である。　“図示されていないが入力端子１
０はプラントに設けられる計測器に接続され、出力端子
１６はコンピュータに接続される。第５図においてフォ
トダイオード２２Ａおよびフォトトランジスタ２３Ｂよ
り左側の増幅器１１および５８等を含む回路を高電圧回
路、フォトダイオード２２Ｂおよびフォトトランジスタ
２３Ａより右側の増幅器１５および５７等を含む回路を
低電圧回路という。低電圧回路と高電圧回路は、フォト
アイソレータ３１Ａおよび３１Ｂによって絶縁されてい
るので、コンピュータに高電圧が加わらず、コンピュー
タの損傷を防止できる。

計測器の出力信号は、入力端子１０よシ絶縁増幅器に入
力され、抵抗２０を経て演算増幅器５８の出力信号とと
もに入力増幅器１１に達する。合流したこれらの信号は
、入力増幅器１１で増幅されてフォトダイオード２２Ａ
に達する。フォトダイオード２２Ａは、入力増幅器１１
の出力信号に対応して光を発する。フォトトランジスタ
２３Ａは、フォトダイオード２２Ａの光信号を入力して
電気信号に変える。この時２オドトランジスタ２３Ａの
出力信号が抵抗２５および２４の閉回路に流れる。この
出力信号の一部は中力増幅器１５に入力される。出力増
幅器１５の出力信号は、演算増幅器５７を介してフォト
ダイオード２２Ｂに伝えられ、ここで光信号に変えられ
る。この光信号ハ、フォトトランジスタ２３Ｂに伝えら
れ、電気信号に戻される。フォトトランジスタ２３Ｂの
出力信号は、抵抗５６および５５を通して流れる。

この出力信号の一部は、演算増幅器５８に入力される。

演算増幅器５８の出力信号は、前述したように入力増幅
器１１に負帰還される。

本実施例は、入力および出力増幅器１１および１５のオ
ープンループゲインが演算増幅器５７および５８のオー
プンループゲインよシも大き、い。

したがって、アイソレータ３１Ａおよび３１Ｂのフォト
ダイオード２２Ａおよび２２Ｂの非線形特性の影響は、
（■）式により１／（α・β）倍されてしまい、極めて
小さくなる。絶縁増幅器２０の出力信号は、その入力信
号に対して直線的に変化するので、絶縁増幅器２０内の
信号伝送精度が著しく向上する。前向き経路のみの絶縁
増幅器では、全体の周波数特性が前向き経路のフォトア
イソレータの信号伝送特性によって一義的に決ってしま
うのに対し、本実施例では、後向き経路を設けるととＫ
よる負帰還効果によってそれが改善される。

本実施例の絶縁増幅器２０は、ＬＳＩ化が可能であり、
著しくコンパクトにできる。入力端子ｌＯおよび出力端
子１５間の絶縁は、フォトアイソレータによシ保たれる
。フォトアイソレータの発光素子（フォトダイオード）
と受光素子（フォトト　−ランジスタ）を光フアイバケ
ーブルで接続することによって事実上、無限大の耐圧を
得ることができる。

本発明の他の実施例を、第６図に基づいて説明する。第
５図と同一構成は同一符号で示す。本実施例の絶縁増幅
器２１は、第５図の実施例に抵抗５９．６０．６１およ
び６２、電源６３および６４を設けたものである。抵抗
５９社、演算増幅器５７の出力端とフォトダイオード２
２Ｂの入力端を連絡する回路に設けられる。電源６３は
、抵抗６０を介して抵抗５９の出力端側に接続される。

　　−電源６４は、抵抗６２を介して演算増幅器５８に
連絡される。抵抗５９〜６２を有する後向き経路全体を
浮動点増幅器１４と称する。浮動点増幅器１４内のアイ
ソレータ３１Ｂが、出力増幅器１５の出力信号ｅ０のレ
ベルに無関係に同一の点で動作すると仮定すると、アイ
ソレータ３１Ａの非線形特性の影響は、１／（α・β）
倍されて出力側にあられれるので、絶縁増幅器２１の入
出力間の非直線性を大幅に改善することができ、入出力
間の関係を直線状に変えることができる。このようなこ
とは、浮動点増幅器１４を設けることによって達成でき
る。浮動点増幅器１４は、出力端子！′６の電圧が変化
してもフォトアイソレータ３１°Ｂの動作点がはとんど
変化しないようにした増幅器である。すなわち、抵ｍｓ
ｓ、ｇｏ、６１および６２、電源６３および６４の電圧
ｖ１およ１びＶ。

を所定の値に定めることによって、フォトアイソレータ
３１Ｂのフォトダイオード２２Ｂの動作点を第７図のＡ
点に＃１ぼ固定するようにしたものである。したがって
、（１）式のβを定数と見なすことができ、絶縁増幅器
２１の出力信号は、その入力信号に対して直線性を保つ
ようになる。本実施例においてもフォトアイソレータ３
１Ａの非線形特性が線形特性に改善され、前述の実施例
と同様の効果を得ることができる。本実施例では、抵抗
５９．６０，６１および６２、電源６３および６４から
なってアイソレータの動作点を特定値の近傍に固定する
動作点固定手段を有しているので、第５図に示す実施例
に比べて信号伝送精度がさらに向上する。

前述した各々の実施例には示していないが、入力回路（
入力増幅器）を動作させるための電力は、従来と同様に
トランスを用いても供給できるが、信号の系統とは独立
している光の送受信路を設け、入力回路側に太陽電池な
どの光電池を設置してその起電力によシ入力回路を動作
させることも可能である。フォトアイソレータの発光手
段は、フォトダイオードの代シにレーザ発光体またはラ
ンプなどを用いてもよい。

また、前述した各々の実施例で轄、フォト、ダイオード
の動作レベルについて具体的に言及していないが、伝送
信号が正および負の面極性に変化する場合は、フォトダ
イオード２２Ａおよび２２Ｂに選択した適切なバイアス
電流を流すことによって、両極性の信号を伝送すること
ができる。

フォトアイソレータの代シに、９磁気や超音波などを使
用するアイソレータを用いることもできる４゜無線の発
信器と受信器をアイソレータとして用いてもよい。さら
に、磁気増幅器を用いてもよい。

これらの場合でも、前述の実施例と同様な効果が得られ
る。

前述の各々の実施例において後向き経路のアイソレータ
を線形特性を有するアイソレータ（例えば絶縁トランス
）に代えても、各々の実施例の効果を得ることができる
。前向き経路のアイソレータに線形特性を有するアイソ
レータ（例えｄ絶縁トランス）を用いた場合でも、非線
形特性を有するアイソレータ＃１どではないが、従来の
絶縁トランスを用いた絶縁増幅器に比べて信号伝送精度
が向上する。本発明は、非線形特性を有するアイソレー
タが存在する絶縁増幅器において大きな威力を発揮する
。

本発明によれば、絶縁増幅器の信号伝送精度を向上させ
ることができる。特に、絶縁増幅器に用いられるアイソ
レータが非線形の信号伝送特性を有する場合は、その効
果が著しくあられれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のトランス型絶縁増幅器の回路図、第２図
は従来の光アイソレータ型絶縁増幅器の回路図、第３図
は第２図に示すフォトアイソレータのフォトダイオード
の特性を示す説明図、第４図は本発明の絶縁増幅器の原
理を示す回路図、第５図は本発明の好適な一実施例であ
る絶縁増幅器の回路図、第６図は本発明の他の実施例の
回路図、第７図は第６図の後向き経路のフォトダイオー
ドの特性を示す説明図である。１０・・・入力°端子、１１・・・入力増幅器、１５・
・・出力増幅器、１６・・・出力端子、２０．２１・・
・絶縁増幅器Ａ　２２Ａ、２２Ｂ・・・フォトダイオー
ド、２３Ａ。２３Ｂ・・・フォトトランジスタ、３１Ａ、３１Ｂ・・
・・・・フォトアイソレータ、５７．５８・・・漬算増
幅器、′１ｆＪ１図１！Ｊ２図１第３目第４図ｖ！ｉ５１Ｋｌ

Claims

【特許請求の範囲】１、・第１フイソレータと、前記第１アイソレータの入
力部に接続される入力回路と、前記第１アイソレータの
、出力部°に接続されてしかも増幅器を有する出力回路
とからなる絶縁増幅器において、前記出力回路の出力信
号を入力して前記入力回路に負帰還させる第２アイソレ
ータを設けたことを特徴とする絶縁増幅器。２、少なくとも前記第１アイソレータが非線形の信号伝
送特性を有するアイソレータである特許請求の範囲第１
項記載の絶縁増幅器。３、前記第１および第２アイツレ−タカ（フォトアイソ
レータである特許請求の範囲第１項または第２項記載の
絶縁増幅器。４、第１フイソレータと、前記第１アイソレータの入力
部に接続される入力回路と、前記第１アイソレータの出
力部に接続されてしかも増幅器を有する出力回路とから
なる絶縁増幅器において、前記出力回路の出力信号を入
力して前記入力回路にアイソレータの動作点を所定の範
囲に固定する手段を設は九・ことを特徴とする絶縁増幅
器。５、少なくとも前記第１フイソレータが非線形の信号伝
送特性を有するアイソレータである特許請求の範囲第４
項記載の絶縁増幅器。６、前記第１および第２フイソレーダが７オトアイソレ
ータである特許請求の範囲第４項または第５項記載の絶
縁増幅器。