MX2013003379A - Circuito de entrada discreto de voltaje universal. - Google Patents

Abstract

Un circuito de entrada discreto de voltaje universal usa un transistor de efecto de campo en modo de agotamiento de alto voltaje junto con un regulador de derivación de precisión ajustable, de bajo voltaje, y un circuito de aislamiento para hacer interfaz con un circuito digital lógico de bajo voltaje con un voltaje externo cambiado que varía desde alrededor de 7 voltios a alrededor de 1000 voltios AC o +/-DC, a una corriente fija baja. Además del amplio rango de voltaje de entrada aceptado a un valor de corriente uniforme baja, se proporciona aislamiento de voltaje muy alto entre el voltaje externo y el circuito digital lógico de bajo voltaje, y la eliminación de circuitos a tierra y ruido de modo común.

Description

CIRCUITO DE ENTRADA DISCRETO DE VOLTAJE UNIVERSAL SOLICITUD DE PATENTE RELACIONADA Esta solicitud reclama prioridad de la Solicitud Provisional de Patente Estadounidense de propiedad común con Número de Serie 61/386,834; presentada el 27 de Septiembre de 2010; titulada "Circuito de Entrada Discreto de Voltaje Universal", por Daniel Rian Kletty y Timothy Mark Kromrey; y se incorpora en este documento mediante referencia para todos los fines.

CAMPO TECNICO La presente invención se relaciona de manera general con circuitos de entrada de oltaj e para conectarlos a circuitos digitales lógicos, y más en particular, con un circuito de entrada discreto de volt¿ universal capaz de aceptar un amplio rango dej voltajes entrada mientras que arroja un bajo valor de corriente.

ANTECEDENTES Los diseños previos para los circuitos de entrada de voltaje eran capaces de aceptar sólo entradas a través de un rango estrecho especifico de niveles ¡de voltaje, y eran inexactos y de poca confianza durante un rango de temperatura de operación deseado. Una con¡figuración de circuito diferente era requerida para cada rango estrecho especifico de niveles de voltaje, y/o los puentes, interruptores, firmware, etc., necesitaban reconfigurar el circuito de entrada para cumplir con el requerimiento de aplicación de voltaje.

Haciendo referencia a la Figura 1, |se ilustra un diagrama esquemático de un circuito de entrada de voltaje de la técnica anterior para conectarse a un 'circuito digital lógico. El circuito mostrado en la Figura 1 permite que un estrecho rango de voltajes de entrada active de manera segura una entrada lógica de un circuito digital. Un voltaje de entrada se aplica a un primer resistor limitante de entrada conectada en serie (102) y un diodo zener (104) El diodo zener (104) se selecciona para limit |ar un segundo voltaje a un segundo resistor limitante de corriente conectada en serie (106) y un diodo emisor de luz (LED) de entrada de un optoacoplador (108).

Por ejemplo, si el voltaje de conducción de zener del diodo zener (104) se selecciona para que sea de 5.7 voltios y una corriente de 5 miliamperios (ma.) se desea que fluya a lo largo de la porción de LED del circuito de aislamiento (108), un valor de resistencia para el segundo resistor limitante de corriente (106) se puede calcular como sigue: R106 = (5.7 voltios - 0.7 voltios) /5 ma, resultando en un valor de resistencia de 1000 ohmios para el segundo resistor limitante de corriente (106) . El voltaje de entrada debe ser mayor a 5.7 voltios para que el diodo zener proporcione los 5.7 voltios totales al segundo resistor limitante de corriente (106), menos voltaje de entrada del que reducirá la corriente a travéjs del LED del optoacoplador (108). Cuando la corriente a través del LED del circuito de aislamiento (ios; es reducida significativamente, el optoacoplador (108) se vuelve poco fiable en la transferencia de la presencia de un voltaje de entrada al circuito lógico.

A medida que el voltaje de entrada se incrementa, la corriente a través del primer resistor limitante de corriente (102) y el diodo zener (104) se incrementará correspondientemente. Esto no es deseable debido a que el vatiaje tanto del diodo zener (104) como del primer resistor limitante de corriente (102) debe estar dimensionado para un voltaje de entrada máximo en el peor de los casos. También, la carga de corriente presentada a la fuente del voltaje de entrada se incrementa. Por ejemplo, a un voltaje de entrada de 10.7 vjoltios y una corriente a través del primer resistor imitante de corriente (102) de 10 ma., la resistencia necesaria para el primer resistor limitante de corriente será de 500 ohms . voltaje de entrada está a 105.7 voltios la corriente e fluye a través del primer resistor limitante de corriente (102) será de 200 ma. y la corriente a través del zener (104) será de 195 ma. En este valor de corriente, el primer resistor limitante de corriente (102 y el zener (104) deben estar clasificados para tener una disipación de energía de al menos 20 vatios. También, |la fuente de voltaje de entrada debe ser capaz de suminist!rar una carga de 20 vatios. Esto es altamente indeseable y por lo tanto limita el rango de voltajes de entrada que pueden ser manejados de manera segura sin tener que cambiar el valor del primer resistor limitante de corriente (10 2) Las variaciones de la temperatura de operación también afectarán las características de los componentes anteriormente mencionados de forma tal que la operación apropiada a un voltaje bajo variarán con la temperatura . Además, mayores voltajes de entrada y temperaturas de operación pueden provocar que uno o más de los componentes anteriormente mencionados tengan un mal funcionamiento o fallen.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Por lo tanto, lo que se necesita es un circuito de entrada de voltaje que acepte un rango mucho más amplio de voltajes de entrada sin incrementar la corriente jalada de la fuente de voltaje de entrada, y tiene características de operación térmica más estables durante un rango de temperatura deseado y durante todo el rango de voltajes de entrada .

De acuerdo con una modalidad ejemplar específica de esta divulgación, un aparato para controla] digital de bajo voltaje con una fuente de voltaje que tiene un amplio rango de valores de voltaje comprende: un transistor de efecto de campo (FET por sus siglas en inglés) en modo de agotamiento que tiene un drenaje, una compuerta y una fuente, en donde su drenaje ¡está adaptado para conectarse a la fuente de voltaje; un regulador de derivación que tiene un ánodo, un cátodo y una entrada de referencia; una red de resistor para proporcionar un voltaje de referencia a la entrada de referencia del regulador de derivación ajustable, en donde el voltaje de referencia es representativo de una corriente a través de la red de resistor; y un circuito de aislamiento que tiene una entrada aislada y una salida aislada; en donde la entrada aislada del circuito de aislamiento está conectada entre la fuente del FET en modo de agotamiento y la red del resistor, el cátodo del regulador de derivación ajustable compuerta del FET en modo de agotamiento, y el ánodo del regulador de derivación ajustable y la red del resistor están conectados a un común de la fuente de voltaje; en donde el regulador derivación ajustable provoca que el FET en modo agotamiento jale corriente sustancialmente constante de la fuente de voltaje durante un amplio rango de voltajes de entrada del mismo.

De acuerdo con otra modalidad ejemplar especifica de esta divulgación, un aparato para el control de un circuito digital de bajo voltaje con una fuente de voltaje que tiene un amplio rango de valores de voltaje comprende: un rectificador de puente de onda completa conectado a una fuente de voltaje; un transistor de efecto de campo (FET por sus siglas en inglés) en modo de agotamiento que tiene un drenaje, compuerta y fuente, en donde su drenaje está adaptado para conectarse al rectificador de puente de onda completa; un regulador de derivación ajustable que tiene un ánodo, cátodo y una entrada de referencia; una red de resistor para proporcionar un voltaje de referencia a la entrada de referencia del regulador de derivación ajustable, en donde el voltaje de referencia es representativo de una corriente a través de la red de resistor; y un circuito de aislamiento que tiene una entrada aislada y una salida aislada; en donde la entrada aislada de circuito de aislamiento esté conectado entre la aislamiento entre la fuente del FET en modo de agotamiento y la red de resistor; conectar el cátodo del regulador de derivación ajustable a la compuerta del FET en modo de agotamiento; conectar el ánodo del regulador de derivación ajustable y la red de resistor a un común de la fuente de voltaje; y jalar una corriente sustancialmente constante de la fuente de voltaje durante un amplio rango de voltajes de entrada de la misma al controlar un voltaje de compuerta del FET en modo de agotamiento con el regulador de derivación ajustable.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Para un entendimiento más completo de la presente invención y sus ventajas, ahora se hace referencia a la siguiente descripción, junto con los dibujos que se acompañan brevemente descritos como sigue.

La Figura 1 ilustra un diagrama esquemático de un circuito de entrada de voltaje de la técnica anterior para conectarse a un circuito lógico digital; La Figura 2 ilustra un diagrama esquemático de un circuito de entrada discreto de voltaje universal, de acuerdo con una modalidad ejemplar especi ica de esta divulgación; La Figura 3 ilustra un diagrama eslquemático del circuito de entrada discreto de voltaje universal de la Figura 2, con la adición de un indicador | de estado de entrada, de acuerdo con otra modalidad ejemplar especifica de esta divulgación; y La Figura 4 ilustra un diagrama esquemático más detallado del circuito de entrada discretpc de voltaje universal de la Figura 2 que muestra circuitos auxiliares de entrada y salida, y condensadores suavizadores de señal y derivación, de acuerdo con modalidades ejemplares especificas de esta divulgación.

Mientras que la presente diyulgación es susceptible a varias modificaciones y formas alternativas , sus modalidades ejemplares especificas se han mostrado en los dibujos y se describen aquí a mayor detalle. Deberá entenderse, sin embargo, que la presente descripción de modalidades ejemplares especificas no pretende limitar la divulgación a las formas particulares aquí descritas, sino que al contrario, esta divulgación amparja todas las modificaciones y equivalentes como se definen en las reivindicaciones adjuntas DESCRIPCIÓN DETALLADA Haciendo referencia ahora a los dibujos, los detalles de las modalidades ejemplares de la presente invención se ilustran esquemáticamente. Los elementos iguales en los dibujos serán representados por números iguales, y los elementos similares serán representados por números iguales con un sufijo de letra minúscula diferente.

Haciendo referencia a la Figura 2, se ilustra un diagrama esquemático de un circuito de entrada discreto de voltaje universal, de acuerdo con una modal idad ejemplar especifica de esta divulgación. El circuito de entrada discreto de voltaje universal, generalmente representado por el numeral (200), comprende un transistor de efecto de campo (FET por sus siglas en inglés) en modo de agotamiento (210)., un circuito de aislamiento (108) (optoacoplador mostrado para fines ilustrativos) , resistores polarización (212, 214 y 216), y un regulador de derivación de precisión ajustable, de bajo voltaje (21! ) . El FET en modo de agotamiento (210) está diseñado para permitir que tenga un diodo emisor de luz (LED) para la entrada aislada y un fototransistor para la salida aislada (ej., transmisor Omron G3VM MOS FET, un transmisor electromecánico que tiene una bobina para la entrada aislada y un contacto para la salida aislada, un aislador digital conectado con transformador (ej., Analog Devices ADUM1402) , etc. Cuando fluye la suficiente corriente a través de la entrada aislada (ej., porción de LED) del circuito de aislamiento (108), ej . , de alrededor de 1 ma. a alrededor 50 ma . , s salida aislada (ej., porción del transistor) enciende puede activar un circuito de entrada lógico digital u otra carga a ser aislada de la fuente de voltaje de entrada cambiada. El aislamiento entre la entrada aislada (e . , porción de LED) y la salida aislada (ej., porción del transistor) del circuito de aislamiento (108) es muy alto, ej . , puede ser mayor a 5000 voltios DC.

Los resistores conectados en serie (214 y 216) están conectados entre un retorno de entrada del circuito referencia (220) del regulador de derivación de precisión ajustable (218). Este voltaje se puede ajustar cambiando el (los) valor (es) de uno o ambos resistores conectados en serie (214 y 216) . El regulador de derivación de precisión ajustable (218) intenta mantener un voltaje constante a través del resistor de detección (214) ajustando el voltaje de la compuerta del FET (210) . A medida que el voltaje de la compuerta del FET (210) se ajusta, la corriente a través del FET (210) (drenaje a fuente) cambia y la corriente a través del sensor de detección (214) también cambia. Esta acción por el regulador de derivación |de precisión ajustable (218) proporciona una corriente sústancialmente constante a través del circuito de aislamiento (108), garantizando que la suficiente corriente, perJ no demasiada corriente, está disponible para encender porción del transistor del circuito de aislamiento (108), | sin import el voltaje de entrada o la temperatura ambiente. Además, como un beneficio añadido, la corriente I de entrada requerida de la fuente de voltaje de entrada, permanece en sústancialmente la misma corriente que la que fluye a través del circuito de aislamiento (108). El r'eesistor (212) es un resistor de valor de alta resistencia usado como un retorno de circuito de la compuerta a la ful«ente del FET (210) (similar a un resistor de polarización de red y un cátodo de un amplificador de triodo de tubo de (vacio) El regulador de derivación de precisión ajustable (218) puede ser, por ejemplo, pero no está limitado a, un regulador de derivación de precisión ajustable de bajo voltaje de National Semiconductor LMV431 (1.24 V) , y el FET (210) en modo de agotamiento puede ser, por ejemplo, pero no está limitado a, un MOSFET IXTP 01N100D de IXYS de alto voltaje que tinga un Vdss máximo de 1000 vol ¡tíos DC y una corriente máxima de drenaje a fuente de 100 ma. el rango de voltaje de entrada para la operación del circuito de entrada discreto de voltaje universal (200) puede ser de menos de 7 voltios a la evaluación de voltajje máximo del FET (210) en modo de agotamiento, ej . , 1000 voltios DC para el dispositivo MOSFET IXTP 01N100D. La corriente jalada de la fuente de voltaje de entrada permanece en ¡un valor bajo constante (sustancialmente el mismo valor que la corriente a través de la entrada aislada del circuito dje aislamiento (108)). Los valores de resistencia pueden ser,j por ejemplo, pero no están limitados a, resistor (212) = ??,??? ohmios, resistor (214) = 1000 ohmios y resistor ( 216 )j = 430 a 910 ohmios. I Haciendo referencia a la Figura 3, ¿e ilustra un diagrama esquemático del circuito de entrada discreto de voltaje universal de la Figura 2 con la adición de un indicador de estado de entrada, de acuerdo con otra modalidad ejemplar especifica de esta divulgación. El circuito de entrada discreto de alto voltaje, representado generalmente por el numeral (200a) , funciona de sustancialmente la misma manera que el circuí|to de entrada discreto de voltaje universal (200) de 1|a Figura 2, comentada más a detalle anteriormente, con la adición de un indicador de estado de entrada (319), ej . , un LED, bobina de transmisor, alarma audible, etc. Siempre qu'e una entrada de voltaje de al menos, por ejemplo, pero no ¡limitado a, 7 voltios se aplique, el indicador de estado de entrada (319) se activará (e . , luz), indicando la presencia de un voltaje de entrada. Cuando no hay sustancialmente ningún voltaje de entrada presente, el indicador de estado de entrada (319) estará apagado (ej., oscuro) y la salida aislada del circuito de aislamiento (108) estará apagada (ej . , resistencia alta abierta entre un emisor de transistor y su recolector o contacto de transmisor) . El activado o si ya se ha instalado. El resistor (326) se puede usar opcionalmente para derivar corriente alrededor del indicador de estado (319) que pueda fluir más corriente a través de la entrada aislada del circuito de aislamiento (108) sin exceder la evaluación de corriente del indicador de estado (319) .

Haciendo referencia a la Figura 4, se ilustra un diagrama esquemático más detallado del circuito de entrada discreto de voltaje universal de la Figura 2 mostrando circuitos auxiliares de entrada y de salida, y condensadores de derivación y de suavización de señal, de acuerdo con las modalidades ejemplares especificas de esta divulgación. El circuito de entrada discreto de voltaje universal, representado generalmente por el numeral (200b) , funciona de sustancialmente la misma manera que el circuito de entrada discreto de voltaje universal (200) de la Figura 2, comentado a mayor detalle anteriormente, con la adición de un rectificador de puente de onda completa (420) que permite que la entrada de voltaje sea AC p +/-DC, un supresor de sobretensión/transitorio (422), un! resistor de actuación (426) y un resistor de derivación ¡de corriente (424). Los condensadores, (C) , se muestran a lo largo de esta implementación y se pueden usar para la supresión de ruido/transitorio, cambiando la estabilidad y 1 suavización de la forma de onda AC. Una persona con conocimientos ordinarios en el diseño de circuitos electrónicos análogos y que tenga el beneficio de esta divulgación, entenderá fácilmente los fines y valores apropiados para los condensadores mostrados la Figura 4. resistor de actuación (426) en la salida aislada del circuito de aislamiento (108) se usa para generar una señal lógica digital discreta (encendido o apagado) . Cuando la corriente está fluyendo a través de la entrada aislada del circuito de aislamiento (108), su salida aislada está conduciendo (encendida) y una BAJA lógica se genera. Cuando no está fluyendo corriente a través de la entrada aislada del circuito de aislamiento (108), su salida aislada no está conduciendo apagada) y se genera una lógica alta a Vcc mediante e resistor de actuación (426). Las dificultades del punt cero de las señales de AC de baja amplitud se pueden filtrar hacia afuera con un condensador adecuado a través de la salida aislada del circuito de aislamiento (10Í como se muestra en la Figura 4. La entrada del circuito lógico digital está aislada de la señal de voltaje de entrada hasta la evaluación de aislamiento de voltaje del circuito de aislamiento (108), ej . , 5000 voltios DC. El resistor de explícitamente lo contrario. Varias modificaciones de, y pasos equivalentes correspondientes a, los aspectos divulgados de las modalidades ejemplares, además de las anteriormente descritas, pueden ser hechas por una persona con conocimientos ordinarios en la materia, que tenga el beneficio de esta divulgación, sin apartarse del espíritu y alcance de la invención definida en las siguientes reivindicaciones, cuyo alcance será acordado a su más amplia interpretación para que abarique dichas modificaciones y estructuras equivalentes.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES 1. Un aparato para controlar | un circuito digital de bajo voltaje con una fuente de voltaje que tiene un amplio rango de valores de voltaje, dicho aparato comprendiendo : un transistor de efecto de campo (FET) en modo de agotamiento que tiene un drenaje, compuerta y fuente, en donde su drenaje está adaptado para conectarse a la fuente de voltaje; un regulador de derivación ajustable| que tiene un ánodo, cátodo y entrada de referencia; una red de resistor para proporcionar un voltaje de referencia a la entrada de referencia del regulador derivación ajustable, en donde el voltaje de eferencia representativo de una corriente a través de la red del resistor; y un circuito de aislamiento que tiene una entrada aislada y una salida aislada; en donde, la entrada aislada del Circuito de aislamiento está conectada entre la fuente del FET en modo de agotamiento y la red de resistor, el cátodo del regulador de derivación ajustable está conectado a la compuerta del FÉT en modo de agotamiento, y el ánodo del regulador dé derivación ajustable y la red de resistor están conectados a un común de la fuente de voltaje; en donde el regulador de derivación ajustable provoca que el FET en modo de agotamiento j ale corriente sustancialmente constante de la fuente de voltaje durante un amplio rango de voltajes de entrada de la misma. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, comprendiendo, además, un rectificador de puente de onda completa entre la fuente de voltaje, y el drenaje del FET en modo de agotamiento y el ánodo del regulador de derivación ajustable, en donde el voltaje de entrada de la fuente de voltaje puede ser corriente alterna (AC) , corriente directa positiva (DC) y negativa DC. 3. El aparato de conformidad con la agotamiento . El aparato de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el dispositivo de indicación es un diodo emisor de luz (LED) . 6. El aparato de conformidad con reivindicación 1, caracterizado porque el circuito aislamiento es un optoacoplador que tiene un diodo erai de luz (LED) para la entrada aislada y un fototransistor para la salida aislada 7. El aparato de conformidad con la reivindicación 6, comprendiendo, además, un resistor de actuación de la salida aislada del circuito de aislamiento a un voltaje de circuito digital, caracterizado porque el resistor de actuación proporciona una alta lógica cuando el fototransistor está apagado. | 8. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito de aislamiento es un transmisor electromecánico que tiene una bobina para la entrada aislada y un contacto para la salida aislada , El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito de aislamiento es un aislador digital conectado por transformador . 10. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la entrada de de referencia a la entrada de referencia del Iregulador de derivación ajustable, en donde el voltaje de referencia es representativo de una corriente a través de la red de resistor; y un circuito de aislamiento que tiene una entrada aislada y una salida aislada; en donde, la entrada aislada del circuito de aislamiento está conectada entre la fuente dell FET en modo de agotamiento y la red de resistor, el cátodo del regulador dé derivación ajustable está conectado a la compuerta del FET en modo de agotamiento, y el ánodo del regulador de derivación ajustable y la red de resistor están conectados al rectificador de puente de onda completa; en donde el regulador de derivaci<ón ajustable provoca que el FET en modo de agotamiento jale corriente sustancialmente constante durante un amplio rango de voltajes de entrada de la fuente de voltaje. 12. El aparato de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el amplio rango de voltaje de entrada de la fuente de voltaje es de menos de alrededor de siete (7) voltios a alrededor de 1000 voltios. 13. El aparato de conformidad con la reivindicación 11, comprendiendo, además, un dispositivo de indicación para indicar cuando un voltaje del rectificador de puente de onda completa está presente en el drenaje del FET en modo de agotamiento. 14. El aparato de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el di spositivo de indicación es un diodo emisor de luz (LED) . 15. El aparato de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el | circuito de aislamiento es un optoacoplador que tiene un | diodo emisor de luz (LED) para la entrada aislada y un f¡ototransistor para la salida aislada. 16. El aparato de conformida'd con reivindicación 15, comprendiendo, además, un actuación de la salida aislada del circuito de aislamiento a un voltaje de circuito digital, caracterizado porque el resistor de actuación proporciona una alta lógica cuando el fototransistor está apagado. 17. El aparato de conformidajd con la reivindicación 11, caracterizado porque el circuito de aislamiento es un transmisor electromecánico que tiene una bobina para la entrada aislada y un contacto para la salida aislada . 18. El aparato de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el circuito de aislamiento es un aislador digital cohectado por transformador. 19. El aparato de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la entrada de voltaje de la fuente de voltaje es de un valor suficiente para que la salida aislada del circuito de ai.slamiento se encienda, de otra manera la salida aislada está apagada. 20. Un método para controlar un circuito digital de bajo voltaje con una fuente de voltaje que tiene un amplio rango de valores de voltaje, dicho método comprendiendo los pasos de: proporcionar un transistor de efecto de campo (FET) en modo de agotamiento con un drenaje] compuerta y fuente, caracterizado porque su drenaje está (adaptado para conectarse a la fuente de voltaje; proporcionar un regulador de derivación ajustable que tenga un ánodo, cátodo y entrada de referencia; proporcionar un voltaje de referencia de una red de resistor a la entrada de referencia del regulador derivación ajustable, caracterizado porque e¡1 voltaje referencia representa una corriente a través de la red resistor; proporcionar un circuito de aislamiento que tenga una entrada aislada y una salida aislada; conectar la entrada aislada del ¡ circuito de aislamiento entre la fuente del FET en modo agotamiento y la red de resistor; conectar el cátodo del regulador derivación ajustable a la compuerta del FET en modo de agotamiento; conectar el ánodo del regulador de derivación i ajustable y la red de resistor a un común de ¡la fuente de voltaje; y mantener una corriente sustancialmeríte constante jalada de la fuente de voltaje durante un amplio rango de voltajes de entrada de la misma al controlar un voltaje de la compuerta del FET en modo de agotamiento con el regulador de derivación ajustable.