PL233134B1 - Układ do pomiaru napięcia z izolacją galwaniczną - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiaru napięć stałych zapewniający izolację galwaniczną między obwodem mierzonym i pomiarowym niskiego napięcia. Wynalazek ma zastosowanie w przemysłowych układach energoelektronicznych. Zgłoszenie dotyczy pomiaru napięć w zakresie przekraczającym napięcie progowe diody transoptora pomiarowego czyli zazwyczaj dla pomiaru napięć powyżej kilku woltów.

Znany z publikacji: U. Tietze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe. WNT 2009, układ do optoelektronicznej transmisji sygnału analogowego zawiera dwa transoptory: pomiarowy i porówna wczy oraz dwa wzmacniacze operacyjne. W układzie tym, aby skompensować błąd liniowości transoptora pomiarowego, za pomocą wzmacniacza operacyjnego znajdującego się w obwodzie mierzonym reguluje się prąd szeregowo połączonych diod elektroluminescencyjnych obu transoptorów tak, by prąd fotoelektryczny odbiornika transoptora porównawczego był równy wartości zadanej. Pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego zamyka więc transoptor porównawczy, który wraz ze wzmacniaczem operacyjnym, realizującym to sprzężenie, znajduje się w wejściowym obwodzie mierzonym, izolowanym galwanicznie od obwodu pomiarowego niskiego napięcia.

Inny układ do optoelektronicznej transmisji sygnału analogowego jest znany z dokumentacji katalogowej transoptora typu IL300. Na przedstawionym przez producenta typowym schemacie aplikacyjnym tego elementu widnieje jedna dioda elektroluminescencyjna dołączona poprzez rezystor do wyjścia pierwszego wzmacniacza operacyjnego znajdującego się w obwodzie mierzonego napięcia oraz dwie diody fotoelektryczne odb iorcze. Jedna z nich jest połączona z wejściem drugiego wzmacniacza operacyjnego znajdującego się w obwodzie niskiego napięcia, izolowanym galwanicznie od wejściowego obwodu mierzonego, a druga z diod znajduje się w obwodzie mierzonego napięcia w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego pierwszego wzmacniacza operacyjnego, który realizuje kompensację błędu liniowości przetwarzania napięcia wejściowego przez transoptor pomiarowy do drugiego wzmacniacza operacyjnego.

Niedogodnością przedstawionych powyżej układów jest konieczność dostarczenia energii do zasilania elementów, w tym przypadku wzmacniaczy operacyjnych, realizujących linearyzację przetwarzania napięcia wejściowego. Ponieważ wzmacniacze te znajdują się w obwodzie pomiarowym napięć, a więc izolowanym galwanicznie od obwodu pomiarowego niskiego napięcia, to wymagają izolowanych galwanicznie względem tego obwodu napięć zasilających. Powoduje to skomplikowanie i wzrost kosztów wykonania prostego zdawałoby się układu pomiarowego.

Układ do pomiaru napięcia z izolacją galwaniczną, według wynalazku, zawiera jeden transoptor pomiarowy, którego fotoemiter i połączony z nim szeregowo rezystor wejściowy dołączone są do mierzonego napięcia wejściowego. Zawiera również jeden transoptor porównawczy. Istotą wynalazku jest to, że transoptor pomiarowy i transoptor porównawczy są jednego rodzaju, tak, aby miały jak najbardziej zbliżone do siebie charakterystyki i parametry. Pierwsze wyprowadzenie fotodetektora transoptora pomiarowego jest dołączone do dodatniego bieguna napięcia zasilającego, a drugie wyprowadzenie tego fotodetektora jest połączone z pierwszym wyprowadzeniem fotodetektora transoptora porównawczego, którego drugie wyprowadzenie jest dołączone do ujemnego bieguna napięcia zasilającego. Ponadto pomiędzy dodatnim a ujemnym biegunem napięcia zasilającego włączone są, połączone kolejno, tranzystor pomiarowy, fotoemiter transoptora porównawczego oraz rezystor wyjściowy. Elektroda sterująca tranzystora pomiarowego przyłączona jest do wspólnego punktu drugiego wyprowadzenia fotodetektora transoptora pomiarowego i pierwszego wyprowadzenia fotodetektora transoptora porównawczego. Napięcie na rezystorze wyjściowym jest równe napięciu wyjściowemu, i jest ono proporcjonalne do mierzonego napięcia wejściowego.

Korzystnym jest, jeśli tranzystor pomiarowy jest tranzystorem bipolarnym w typie przewodnictwa n-p-n. Kolektor tego tranzystora jest połączony z dodatnim biegunem napięcia zasilającego, a emiter jest połączony z anodą fotoemitera transoptora porównawczego.

Korzystnym jest jeśli tranzystor pomiarowy jest tranzystorem unipolarnym z kanałem typu n. Jego dren połączony jest z dodatnim biegunem napięcia zasilającego, a źródło połączone jest z anodą fotoemitera transoptora porównawczego.

Inną korzyścią jest wykonanie transoptora pomiarowego i transoptora porównawczego jako transoptor podwójny, w jednej obudowie.

Korzystne jest, gdy w transoptorach pomiarowym i porównawczym fotoemitery są diodami elektroluminescencyjnymi.

PL 233 134 B1

Korzystne jest, jeśli fotodetektorem transoptora pomiarowego i fotodetektorem transoptora porównawczego są fototranzystory. Ich pierwsze wyprowadzenia stanowią kolektory, a drugie wyprowadzenia stanowią emitery.

Rozwiązanie, według wynalazku, realizuje w prosty i bardzo tani sposób pomiar napięcia z zapewnieniem izolacji galwanicznej względem mierzonego obwodu i eliminujący nieliniowość przetwarzania transoptora użytego jako przetwornik pomiarowy.

Układ, według wynalazku, uwidoczniony jest w przykładowych wykonaniach na rysunku będącym schematem ideowym. Fig. 1 przedstawia przykład I układu z użyciem tranzystora bipolarnego jako tranzystor pomiarowy, a fig. 2 przykład II z użyciem tranzystora unipolarnego.

P r z y k ł a d I

Układ zawiera transoptor pomiarowy TO1, którego fotoemiter i połączony z nim szeregowo rezystor wejściowy Rwe dołączone są do mierzonego napięcia wejściowego Uwe. Zawiera również jeden transoptor porównawczy TO2. Pierwsze wyprowadzenie fotodetektora transoptora pomiarowego TO1 jest dołączone do dodatniego bieguna napięcia zasilającego Uz, a drugie wyprowadzenie tego fotodetektora jest połączone z pierwszym wyprowadzeniem fotodetektora transoptora porównawczego T O2, którego drugie wyprowadzenie jest dołączone do ujemnego bieguna napięcia zasilającego Uz. Ponadto pomiędzy dodatnim a ujemnym biegunem napięcia zasilającego Uz włączone są, połączone kolejno, tranzystor pomiarowy T1, fotoemiter transoptora porównawczego TO2 oraz rezystor wyjściowy Rwy. Kolektor C tranzystora pomiarowego T1 połączony jest z dodatnim biegunem napięcia zasilającego Uz, a emiter E połączony jest z anodą fotoemitera transoptora porównawczego TO2. Elektroda sterująca, baza B, tranzystora pomiarowego T1 przyłączona jest do wspólnego punktu drugiego wyprowadzenia fotodetektora transoptora pomiarowego TO1 i pierwszego wyprowadzenia fotodetektora transoptora porównawczego TO2. Napięcie na rezystorze Rwy jest równe napięciu wyjściowemu Uwy i jest ono proporcjonalne do mierzonego napięcia wejściowego Uwe.

Do wykonania układu w przykładzie I jako transoptor pomiarowy i porównawczy zastosowano transoptor podwójny PC827B, w którym fotoemitery są diodami elektroluminescencyjnymi. Fotodetektorami transoptora pomiarowego i transoptora porównawczego są fototranzystory. Ich pierwsze wyprowadzenia stanowią kolektory, a drugie wyprowadzenia stanowią emitery. Tranzystorem pomiarowym T1 jest tranzystor bipolarny typu BC237. Wartość rezystora wejściowego Rwe przyjęto równą 100 kQ, przy założeniu, że napięcie wejściowe Uwe nie będzie przekraczać wartości 400 V. Stronę niskiego napięcia zasilono napięciem Uz równym +5 V, a wartość rezystora wyjściowego ustalono jako 1 k Ω.

P r z y k ł a d II

W stosunku do przykładu I zmienionym elementem jest jedynie tranzystor pomiarowy T2 na tranzystor unipolarny z kanałem typu n. Dren D połączony jest z dodatnim biegunem napięcia zasilającego Uz, a źródło S połączone jest z anodą fotoemitera transoptora porównawczego TO2. Elektroda sterująca, bramka G, przyłączona jest do wspólnego punktu drugiego wyprowadzenia fotodetektora transoptora pomiarowego TO1 i pierwszego wyprowadzenia fotodetektora transoptora porównawczego TO2.

Tranzystorem pomiarowym T2 jest tranzystor unipolarny typu 2N7000TA, zaś pozostałe elementy i parametry rezystora i napięcia są takie jak w przykładzie I.

Działanie układu w obu przykładach jest zbliżone i opisano je dla przykładu I. Mierzone napięcie wejściowe Uwe powoduje przepływ prądu przez fotoemiter czyli diodę elektroluminescencyjną transoptora pomiarowego TO1. Wartość rezystora Rwe dobiera się tak, aby przy maksymalnej wartości mierzonego napięcia wejściowego Uwe prąd diody elektroluminescencyjnej transoptora pomiarowego T O1 był nie większy od jej prądu znamionowego. Wzrost wartości napięcia wejściowego Uwe powoduje wzrost wartości prądu diody elektroluminescencyjnej transoptora pomiarowego TO1 i zwiększenie wysterowania fotodetektora, czyli w tym przypadku fototranzystora transoptora pomiarowego TO1. W wyniku tego zostaje także wysterowany tranzystor pomiarowy T1 a prąd jego emitera E przepływając przez rezystor wyjściowy Rwy powoduje zwiększenie napięcia wyjściowego Uwy. Prąd emitera tego tranzystora T1 przepływa również przez fotoemiter czyli diodę elektroluminescencyjną transoptora porównawczego TO2. Powoduje to wysterowanie jego fotodetektora czyli w tym przypadku fototranzystora transoptora porównawczego TO2, który znajduje się w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego tranzystora pomiarowego T1. Przy zastosowaniu tego samego typu transoptora porównawczego TO2 co transoptor pomiarowy TO1, oddziaływanie tego sprzężenia powoduje linearyzację charakterystyki przetwarzania transoptora pomiarowego TO1. Zastosowanie układu scalonego zawierającego oba transoptory zmniejsza dodatkowo wpływ oddziaływania pochodzący od zmian temperatury otoczenia na proces przetwarzania.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ do pomiaru napięcia z izolacją galwaniczną zawierający transoptor pomiarowy, którego fotoemiter i połączony z nim szeregowo rezystor wejściowy dołączone są do mierzonego napięcia wejściowego, oraz zawierający transoptor porównawczy, znamienny tym, że transoptor pomiarowy (TO1) i transoptor porównawczy (TO2) są jednego rodzaju, a w układzie pierwsze wyprowadzenie fotodetektora transoptora pomiarowego (TO1) jest dołączone do dodatniego bieguna napięcia zasilającego (Uz), a drugie wyprowadzenie tego fotodetektora jest połączone z pierwszym wyprowadzeniem fotodetektora transoptora porównawczego (TO2), którego drugie wyprowadzenie jest dołączone do ujemnego bieguna napięcia zasilającego (Uz), ponadto pomiędzy dodatnim a ujemnym biegunem napięcia zasilającego (Uz) włączone są połączone kolejno, tranzystor pomiarowy (T1, T2), fotoemiter transoptora porównawczego (TO2) oraz rezystor wyjściowy (Rwy), zaś elektroda sterująca tranzystora pomiarowego (T1, T2) przyłączona jest do wspólnego punktu drugiego wyprowadzenia fotodetektora transoptora pomiarowego (TO1) i pierwszego wyprowadzenia fotodetektora transoptora porównawczego (TO2), przy czym napięcia na rezystorze wyjściowym (Rwy) jest równe napięciu wyjściowemu (Uwy), które jest proporcjonalne do napięcia wejściowego (Uwe).
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że tranzystor pomiarowy jest tranzystorem bipolarnym o typie przewodnictwa n-p-n (T1), którego kolektor (C) połączony jest z dodatnim biegunem napięcia zasilającego (Uz), a emiter (E) połączony jest z anodą fotoemitera transoptora porównawczego (TO2).
3. 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że tranzystor pomiarowy jest tranzystorem unipolarnym z kanałem typu n (T2), którego dren (D) połączony jest z dodatnim biegunem napięcia zasilającego (Uz), a źródło (S) połączone jest z anodą fotoemitera transoptora porównawczego (TO2).
4. 4. Układ według zastrz, 1 znamienny tym, że transoptor pomiarowy (TO1) i transoptor porównawczy (TO2) są transoptorem podwójnym.
5. 5. Układ według zastrz. 1 znamienny tym, że w transoptorach pomiarowym i porównawczym fotoemitery są diodami elektroluminescencyjnymi.
6. 6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że jeśli fotodetektorem transoptora pomiarowego (TO1) i fotodetektorem transoptora porównawczego (TO2) są fototranzystory, to ich pierwsze wyprowadzenia stanowią kolektory, a drugie wyprowadzenia stanowią emitery.