PL223774B1

PL223774B1 - Uniwersalny układ wejściowy

Info

Publication number: PL223774B1
Application number: PL401460A
Authority: PL
Inventors: Witold Kardyś; Paweł Michalski
Original assignee: Inst Tele I Radiotechniczny
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2016-10-31
Also published as: PL401460A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest uniwersalny układ wejściowy z izolacją galwaniczną umożliwiający pomiar napięć wolnozmiennych lub prądów wolnozmiennych.

Znane są z literatury rozwiązania układów pomiarowych wartości prądu w pętli prądowej standardu 4-20 mA. Znane są również rozwiązania wyposażone w izolację galwaniczną wejścia pomiarowego od obwodów digitalizacji. Znane są także rozwiązania układów pomiarowych napięć woln ozmiennych w szczególności z izolacją galwaniczną.

Wadą takich rozwiązań jest brak możliwości wykonania pomiaru prądu oraz napięcia za pomocą pojedynczego wejścia analogowego. Pomiar taki wymaga zastosowania dwóch wejść specjalizowanych. W układzie takim nie ma możliwości zmiany typu wejścia w sposób automatyczny bez ing erencji w układ pomiarowy.

Znane są z literatury rozwiązania uniwersalnych układów pomiarowych umożliwiających wybór pomiędzy pomiarem prądu a napięcia wejściowego w określonych zakresach. Układy takie wyposażone są w dwa lub więcej niezależnych torów pomiarowych prądu lub napięcia, które dołączane są do wejścia mierzonej wielkości za pomocą przekaźnika, a wyjścia dołączone są do niezależnych obwodów digitalizacji lub dołączane są do jednego obwodu digitalizacji za pomocą klucza półprzewodnik owego lub przekaźnika.

Wadą tych rozwiązań jest wysoki stopień komplikacji oraz zwiększone rozmiary, zwiększony pobór mocy oraz zwiększona ilość elementów takiej konstrukcji wejść analogowych.

Istotą wynalazku jest zastosowanie przekaźnika wejściowego, którego styk przełączny dołączony jest do wejścia pomiarowego, jeden styk wyjściowy dołączony jest poprzez dzielnik rezystancyjny do wejścia nieodwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego, a drugi styk wyjściowy dołączony jest do rezystora pomiarowego prądu oraz do wejścia nieodwracającego drugiego wzmacniacza operacyjnego. Wyjście pierwszego wzmacniacza operacyjnego dołączone jest do anody pierwszej diody, a wyjście drugiego wzmacniacza operacyjnego dołączone jest do anody drugiej diody. Katody diody pierwszej oraz drugiej połączone są ze sobą oraz połączone są poprzez rezystor ograniczający prąd do anody diody świecącej LED podwójnego transoptora liniowego, której katoda dołączona jest do masy strony wejściowej układu. Dioda świecąca LED podwójnego transoptora liniowego oświetla jednocześnie dwie, izolowane fotodiody transoptora posiadające specjalnie dobrane charakterystyki prądu wyjściowego w funkcji natężenia światła tak, by były one możliwie liniowe oraz zbliżone do siebie. Katoda pierwszej fotodiody podwójnego transoptora liniowego dołączona jest do dodatniego zacisku izolowanego napięcia zasilającego strony pomiarowej, a anoda tej diody dołączona jest do pierwszego rezystora dzielnika rezystancyjnego oraz do wejścia odwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego. Dzielnik rezystancyjny włączony jest pomiędzy wspomniane wyjście pierwszej fotodiody a masę strony pomiarowej układu, a jego wyjście dołączone jest do wejścia odwracającego drugiego wzmacniacza operacyjnego. Katoda drugiej fotodiody podwójnego transoptora liniowego dołączona jest do zacisku dodatniego napięcia strony wyjściowej układu, a anoda tej diody dołączona jest do jednej końcówki rezystora wyjściowego oraz do zacisku wyjściowego układu, a druga końcówka rezystora dołączona jest do masy strony wyjściowej. Cewka przekaźnika wejściowego dołączona jest je dnym zaciskiem do masy strony wyjściowej układu, a drugim zaciskiem do sygnału wyboru trybu pracy wejścia.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat ideowy układu.

Wejście pomiarowe WE dołączone jest do styku przełącznego przekaźnika wejściowego K, którego pierwszy styk wyjściowy dołączony jest do pierwszego zacisku dzielnika rezystancyjnego złoż onego z rezystora pierwszego R1 oraz rezystora drugiego R2. Rezystor drugi R2 dołączony jest do masy strony pomiarowej, a wyjście dzielnika pierwszego dołączone jest do wejścia nieodwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego W1. Drugie wyjście przekaźnika wejściowego K dołączone jest do masy strony pomiarowej poprzez rezystor pomiarowy prądu R3 oraz do wejścia nieodwracającego drugiego wzmacniacza operacyjnego W2. Wyjście pierwszego wzmacniacza operacyjnego W1 dołączone jest do anody pierwszej diody D1 a wyjście drugiego wzmacniacza operacyjnego W2 dołączone jest do anody drugiej diody D2. Katody obydwu diod połączone są ze sobą oraz połączone są do anody diody świecącej podwójnego transoptora liniowego U1 za pośrednictwem rezystora ograniczającego prąd R4. Katoda diody świecącej podwójnego transoptora liniowego U1 dołączona jest do masy strony pomiarowej układu. Katoda pierwszej fotodiody podwójnego transoptora liniowego U1

PL 223 774 B1 dołączona jest do zacisku dodatniego izolowanego napięcia zasilania strony pomiarowej, a anoda tej diody dołączona jest do wejścia odwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego W1 oraz do drugiego dzielnika rezystancyjnego złożonego z rezystora piątego R5 oraz rezystora szóstego R6. Rezystor szósty R6 dołączony jest do masy strony pomiarowej a wyjście dzielnika dołączone jest do wejścia odwracającego drugiego wzmacniacza operacyjnego W2. Katoda drugiej fotodiody podwójnego transoptora liniowego U1 dołączona jest do dodatniego zacisku napięcia zasilania strony wyjściowej układu, a anoda tej diody dołączona jest do masy strony wyjściowej układu poprzez rezystor wyjściowy R7 oraz do wyjścia układu WY. Cewka przekaźnika wejściowego dołączona jest jednym zaciskiem do masy strony wyjściowej układu a drugim zaciskiem do sygnału wyboru trybu pracy TRYB.

W układzie można wyróżnić dwa stany pracy. W pierwszym stanie układ pracuje jako układ pomiaru napięcia. Przekaźnik wejściowy K jest wtedy wysterowany w taki sposób, że sygnał wejściowy WE dołączony jest do wejścia nieodwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego W1 poprzez pierwszy dzielnik rezystancyjny R1, R2. Wartość napięcia na wejściu nieodwracającym pierwszego wzmacniacza operacyjnego zostaje zmniejszona zgodnie ze stopniem podziału Ua=U_WE*R2/(R1+R2). Napięcie wyjściowe pierwszego wzmacniacza operacyjnego W1 ustala się na wartość dodatnią względem masy strony pomiarowej układu. Napięcie to powoduje przewodzenie diody pierwszej D1 oraz diody świecącej LED podwójnego transoptora liniowego U1. Prąd diody świecącej LED ustalony jest przez rezystor ograniczający prąd R4. Dioda świecąca LED oświetla równomiernie dwie fotodiody podwójnego transoptora liniowego U1. Oświetlona pierwsza fotodioda podwójnego transoptora liniowego U1 przewodzi prąd płynący od dodatniej gałęzi izolowanego napięcia zasilania strony pomiarowej do masy poprzez drugi dzielnik rezystancyjny złożony z rezystorów R5 oraz R6. Prąd ten odkłada napięcie na rezystancji szeregowego połączenia rezystorów R5 oraz R6. Napięcie to podawane jest na wejście odwracające pierwszego wzmacniacza operacyjnego W1. Pierwszy wzmacniacz operacyjny ustala swoje napięcie wyjściowe w taki sposób, że wartość napięcia wytwarzanego na rezystancji dzielnika R5, R6 równa jest wartości napięcia wyjściowego Ua dzielnika rezystancyjnego R1, R2 dzięki działaniu pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego (Ub = Ua).

Wartość prądu la przepływającego przez pierwszą fotodiodę podwójnego transoptora liniowego U1 jest zatem wyznaczana przez szeregowe połączenie rezystancji dzielnika rezystancyjnego R5, R6 oraz napięcie Ua,

Ia=Ua/(R5+R6).

Ponieważ fotodiody podwójnego transoptora liniowego dobrane są tak, by płynące przez nie prądy były do siebie zbliżone w obszarze pracy liniowej, to można przyjąć, że Ib=Ia. Wartość napięcia wyjściowego I_WY wynika ze spadku napięcia na rezystorze wyjściowym R7 wywołanym przepływem prądu Ib (Uwy =Ib*R7).

Wartość napięcia wyjściowego wynosi zatem U_WY=Ua*R7/(R5+R6), a więc U_WY=U_WE*R2/(R1+R2)*R7/(R5+R6).

Współczynnik wzmocnienia napięciowego pomiędzy wyjściem a wejściem wynosi zatem R2/(R1+R2)*R7/(R5+R6).

W czasie pracy układu w roli wejścia pomiaru napięcia, wejście nieodwracające drugiego wzmacniacza operacyjnego W2 jest dołączone do masy poprzez rezystor pomiaru prądu R3, przez który nie płynie mierzony prąd. Napięcie na tym wejściu jest zatem równe zeru.

Napięcie na wejściu odwracającym wzmacniacza operacyjnego W2 jest równe Ue=Ub*R6/(R5+R6).

Napięcie Ub jest ustalone przez pętlę sprzężenia zwrotnego pierwszego wzmacniacza operacyjnego. Dla napięć wejściowych większych od zera napięcie to jest również większe od zera. Wobec tego napięcie Ub jest również większe od zera, a zatem napięcie na wejściu odwracającym drugiego wzmacniacza operacyjnego W2 jest wyższe od napięcia na wejściu nieodwracającym tego wzmacniacza, co powoduje ustalenie napięcia wyjściowego wzmacniacza na wartość zbliżoną do zera, co dzięki obecności diody D2 spolaryzowanej zaporowo nie wpływa na stan pętli sprzężenia zwrotnego pierwszego wzmacniacza operacyjnego W1. Wzmacniacz operacyjny W2 jest zatem w stanie ustalonym nie wpływającym na pomiar napięcia wejściowego.

W drugim stanie pracy układu przekaźnik wejściowy K jest wysterowany w taki sposób, że sygnał wejściowy WE dołączony jest do rezystora pomiarowego prądu R3 oraz do wejścia nieodwracającego drugiego wzmacniacza operacyjnego W2.

Prąd wpływający do wejścia pomiarowego I_WE odkłada spadek napięcia na rezystorze pomiarowym prądu R3 (Ud=I_WE*R3).

PL 223 774 B1

Napięcie wyjściowe drugiego wzmacniacza operacyjnego W2 ustala się na wartość dodatnią względem masy strony pomiarowej układu. Napięcie to powoduje przewodzenie diody drugiej D2 oraz diody świecącej LED podwójnego transoptora liniowego U1. Prąd diody świecącej LED ustalony jest przez rezystor ograniczający prąd R4. Oświetlona pierwsza fotodioda podwójnego transoptora liniowego U1 przewodzi prąd płynący od dodatniej gałęzi izolowanego napięcia zasilania strony pomiarowej do masy poprzez dzielnik rezystancyjny złożony z rezystorów R5 oraz R6. Napięcie odłożone na rezystorze R6 przez przepływ prądu pierwszej fotodiody podawane jest na wejście odwracające drugiego wzmacniacza operacyjnego W2. Drugi wzmacniacz operacyjny ustala swoje napięcie wyjściowe w taki sposób, że wartość napięcia wytwarzanego na rezystancji rezystora R6 równa jest wartości napięcia Ud na rezystorze pomiarowym prądu R3 dzięki działaniu pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego (Ue=Ud). Wartość prądu la przepływającego przez pierwszą fotodiodę podwójnego transoptora liniowego U1, jest zatem wyznaczana przez rezystancję rezystora R6 oraz napięcie Ud, Ia=Ud/R6.

Ponieważ fotodiody podwójnego transoptora liniowego dobrane są tak by płynące przez nie prądy były do siebie zbliżone w obszarze pracy liniowej to można przyjąć, że Ib=Ia. Wartość napięcia wyjściowego I_WY wynika ze spadku napięcia na rezystorze wyjściowym R7 wywołanym przepływem prądu Ib (UWY=Ib*R7).

Wartość napięcia wyjściowego wynosi zatem U_WY=Ud*R7/R6, a więc U_WY=I_WE*R3*R7/R6.

W czasie pracy układu w roli wejścia pomiaru prądu, wejście nieodwracające pierwszego wzmacniacza operacyjnego W1 jest dołączone do masy poprzez drugi rezystor dzielnika wejściowego R2, przez który nie płynie prąd. Napięcie na tym wejściu jest zatem równe zeru. Dla prądów pomiarowych większych od zera napięcie na wejściu odwracającym pierwszego wzmacniacza operacyjnego jest zatem większe od napięcia na wejściu nieodwracającym tego wzmacniacza co powoduje ustalenie jego napięcia wyjściowego na wartość bliską zeru co powoduje, że dioda pierwsza D1 jest stale spolaryzowana zaporowo, a więc pierwszy wzmacniacz operacyjny W1 nie wpływa na pracę pętli sprzężenia zwrotnego drugiego wzmacniacza operacyjnego W2 i nie zaburza pomiaru prądu wejściowego.

Zaletą układu jest, że pojedynczy tor pomiarowy umożliwia pomiar napięcia lub prądu, przy czym tryb pomiaru może zostać zmieniony w sposób automatyczny bez konieczności ingerencji w układ. Tor pomiarowy zawiera jeden transoptor liniowy oraz jeden przekaźnik, co ogranicza pobór prądu toru pomiarowego oraz jego gabaryty i liczbę elementów. Zastosowanie układu dwóch wzmacniaczy operacyjnych oraz diod według wynalazku eliminuje konieczność stosowania dodatkowych przełączników trybu pracy wejścia.

Korzystne jest, że wartości rezystancji rezystorów dzielnika wejściowego R1, R2 mogą być duże zapewniając dużą rezystancję wejściową układu pomiaru napięcia.

Zastosowanie dzielnika wejściowego pozwala na pomiar napięć wyższych od napięcia zasilania strony pomiarowej układu.

Korzystne jest, że wartość rezystancji rezystora R3 może być mała, zapewniając mały wzrost napięcia wejścia pomiarowego w trybie pomiaru prądu.

Układ umożliwia pomiar wartości prądu w pętli prądowej 4-20 mA lub pomiar wartości napięcia 0-10 V. Przełączenie mierzonej wielkości może zostać dokonane podczas pracy układu.

Claims

Zastrzeżenie patentowe

Uniwersalny układ wejściowy składający się z przekaźnika wejściowego, pierwszego wzmacniacza operacyjnego, drugiego wzmacniacza operacyjnego, dwóch dzielników rezystancyjnych, rezystora pomiarowego, rezystora wyjściowego, rezystora ograniczającego prąd, dwóch diod oraz podwój nego transoptora liniowego, znamienny tym, że wejście pomiarowe (WE) dołączone jest do styku przełącznego przekaźnika wejściowego (K), którego pierwszy styk wyjściowy dołączony jest do pierwszego zacisku dzielnika rezystancyjnego złożonego z rezystora pierwszego (R1) oraz rezystora drugiego (R2) dołączonego do masy strony pomiarowej, a wyjście dzielnika pierwszego dołączone jest do wejścia nieodwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego (W1), a drugie wyjście przekaźnika wejściowego (K) dołączone jest do masy strony pomiarowej poprzez rezystor pomiarowy prądu (R3) oraz do wejścia nieodwracającego drugiego wzmacniacza operacyjnego (W2), wyjście pierwszego wzmacniacza operacyjnego (W1) dołączone jest do anody pierwszej diody (D1), wyjście drugiego wzmacniacza operacyjnego (W2) dołączone jest do anody drugiej diody (D2), a katody obydwu diod połączone są ze sobą oraz połączone są z anodą diody świecącej podwójnego transoptora liniow ePL 223 774 B1 go (U1) za pośrednictwem rezystora ograniczającego prąd (R4), katoda diody świecącej podwójnego transoptora liniowego (U1) dołączona jest do masy strony pomiarowej układu, katoda pierwszej fotodiody podwójnego transoptora liniowego (U1) dołączona jest do zacisku dodatniego izolowanego napięcia zasilania strony pomiarowej, a anoda tej diody dołączona jest do wejścia odwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego (W1) oraz do drugiego dzielnika rezystancyjnego złożonego z rezystora piątego (R5) oraz rezystora szóstego (R6) dołączonego do masy strony pomiarowej, a wyjście dzielnika dołączone jest do wejścia odwracającego drugiego wzmacniacza operacyjnego (W2), katoda drugiej fotodiody podwójnego transoptora liniowego (U1) dołączona jest do dodatniego zacisku napięcia zasilania strony wyjściowej układu, a anoda tej diody dołączona jest do masy strony wyjściowej układu poprzez rezystor wyjściowy (R7) oraz do wyjścia układu (WY), cewka przekaźnika wejściowego dołączona jest jednym zaciskiem do masy strony wyjściowej układu a drugim zaciskiem do sygnału wyboru trybu pracy (TRYB).