PL234634B1 - Uniwersalny układ pomiarowy z izolacją galwaniczną - Google Patents

Abstract

Wejście pomiarowe (WE) uniwersalnego układu pomiarowego z izolacją galwaniczną dołączone jest do rezystora pomiarowego (R3) oraz pierwszego zacisku dzielnika rezystancyjnego, a drugi zacisk rezystora (R3) dołączony jest do drenu tranzystora (T1), którego źródło dołączone jest do masy a bramka dołączona jest do rezystora wyłączającego (R8), bramki tranzystora (T2) oraz do jednego wyjścia fototranzystora transoptora przełączającego (U2), którego drugie wyjście dołączone jest do dodatniego izolowanego napięcia zasilania strony pomiarowej (VCC). Katoda diody świecącej transoptora (U2) dołączona jest do masy strony wyjściowej a anoda tej diody dołączona jest do sygnału wyboru trybu pracy (TRYB). Drugi zacisk rezystora (R8) i drugi zacisk rezystora (R2) dołączone są do masy. Wyjście dzielnika (R1, R2) dołączone jest do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego (W), którego wyjście dołączone jest do anody diody świecącej podwójnego transoptora liniowego (U1) za pośrednictwem rezystora (R4). Katoda tej diody świecącej dołączona jest do masy. Katoda pierwszej fotodiody transoptora (U1) dołączona jest do zacisku dodatniego izolowanego napięcia zasilania a anoda tej diody dołączona jest do rezystora (R5) oraz rezystora (R6). Drugi zacisk rezystora (R5) dołączony jest do masy a drugi i zacisk rezystora (R6) dołączony jest do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego (W) oraz do rezystora (R7), którego drugi zacisk dołączony jest do drenu tranzystora (T2), którego źródło dołączone jest do masy. Katoda drugiej fotodiody transoptora (U1) dołączona jest do napięcia zasilania strony wyjściowej układu (VCC2) a anoda tej fotodiody dołączona jest do masy strony wyjściowej układu poprzez rezystor wyjściowy (R9) oraz do wyjścia układu (WY).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest uniwersalny układ pomiarowy z izolacją galwaniczną umożliwiający pomiar napięć wolnozmiennych lub prądów wolnozmiennych. W szczególności możliwy jest pomiar wartości prądu w pętli prądowej 4-20 mA lub pomiar wartości napięcia 0-10 V.

Znane są z literatury oraz z opisu patentowego CN106707014 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 wolnozmiennych 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 ingerencji w układ pomiarowy.

Znane są z literatury oraz z opisu patentowego CN206041965 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 półprzewodnikowego lub przekaźnika. Wadą tych rozwiązań jest wysoki stopień komplikacji oraz zwiększone rozmiary, zwiększony pobór mocy oraz zwiększona ilość elementów takiej konstrukcji wejść analogowych.

Znany jest z opisu patentowego Pat. PL223774 uniwersalny układ wejściowy z izolacją galwaniczną umożliwiający pomiar napięć wolnozmiennych lub prądów wolnozmiennych. W szczególności możliwy jest pomiar wartości prądu w pętli prądowej 4-20 mA lub pomiar wartości napięcia 0-10 V. Układ ten umożliwia przełączanie trybu pracy wejścia pomiarowego za pomocą przekaźnika. Wadą tego układu jest zastosowanie przekaźnika mechanicznego pełniącego rolę układu przełączającego. Przekaźnik taki ma ograniczoną niezawodność, ponieważ określona jest przez producenta, skończona liczba przełączeń jego styków do wystąpienia awarii. Jest to również element o dużych gabarytach oraz znacznym poborze mocy w stosunku do pozostałych elementów występujących w układzie.

Istotą wynalazku jest uniwersalny układ pomiarowy z izolacją galwaniczną, w którym wejście pomiarowe dołączone jest do rezystora pomiarowego oraz pierwszego zacisku dzielnika rezystancyjnego złożonego z rezystora pierwszego i rezystora drugiego. Drugi zacisk rezystora pomiarowego dołączony jest do drenu tranzystora pierwszego, którego źródło dołączone jest do masy, a bramka dołączona jest do rezystora wyłączającego, bramki tranzystora drugiego oraz do jednego wyjścia fototranzystora transoptora przełączającego, którego drugie wyjście dołączone jest do dodatniego izolowanego napięcia zasilania strony pomiarowej. Katoda diody świecącej transoptora przełączającego dołączona jest do masy strony wyjściowej, natomiast anoda tej diody dołączona jest do sygnału wyboru trybu pracy. Drugi zacisk rezystora wyłączającego dołączony jest do masy. Drugi zacisk rezystora drugiego dołączony jest do masy. Wyjście dzielnika rezystancyjnego dołączone jest do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego, którego wyjście dołączone jest do anody diody świecącej podwójnego transoptora liniowego za pośrednictwem rezystora ograniczającego prąd. Katoda diody świecącej podwójnego transoptora liniowego dołączona jest do masy strony pomiarowej układu. Katoda pierwszej fotodiody podwójnego transoptora liniowego dołączona jest do zacisku dodatniego izolowanego napięcia zasilania strony pomiarowej, a anoda tej diody dołączona jest do rezystora piątego oraz rezystora szóstego. Drugi zacisk rezystora piątego dołączony jest do masy, natomiast drugi zacisk rezystora szóstego dołączony jest do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego oraz do rezystora siódmego. Drugi zacisk rezystora siódmego dołączony jest do drenu tranzystora drugiego, którego źródło dołączone jest do masy. Katoda drugiej fotodiody podwójnego transoptora liniowego dołączona jest do dodatniego zacisku napięcia zasilania strony wyjściowej układu, a anoda tej diody dołączona jest do masy strony wyjściowej układu poprzez rezystor wyjściowy oraz do wyjścia układu.

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

Wejście pomiarowe WE dołączone jest do rezystora pomiarowego R3 oraz pierwszego zacisku dzielnika rezystancyjnego złożonego z rezystora pierwszego R1 i rezystora drugiego R2. Drugi zacisk rezystora pomiarowego R3 dołączony jest do drenu tranzystora pierwszego T1, którego źródło dołączone jest do masy, a bramka dołączona jest do rezystora wyłączającego R8, bramki tranzystora dru

PL 234 634 B1 giego T2 oraz do jednego wyjścia fototranzystora transoptora przełączającego U2, którego drugie wyjście dołączone jest do dodatniego izolowanego napięcia zasilania strony pomiarowej VCC. Katoda diody świecącej transoptora przełączającego U2 dołączona jest do masy strony wyjściowej, natomiast anoda tej diody dołączona jest do sygnału wyboru trybu pracy TRYB. Drugi zacisk rezystora wyłączającego R8 dołączony jest do masy. Drugi zacisk rezystora drugiego R2 dołączony jest do masy. Wyjście dzielnika rezystancyjnego dołączone jest do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego W, którego wyjście dołączone jest 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 dołączona jest do zacisku dodatniego izolowanego napięcia zasilania strony pomiarowej VCC, a anoda tej diody dołączona jest do rezystora piątego R5 oraz rezystora szóstego R6. Drugi zacisk rezystora piątego R5 dołączony jest do masy, natomiast drugi zacisk rezystora szóstego R6 dołączony jest do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego W oraz do rezystora siódmego R7. Drugi zacisk rezystora siódmego R7 dołączony jest do drenu tranzystora drugiego T2, którego źródło dołączone jest do masy. Katoda drugiej fotodiody podwójnego transoptora liniowego U1 dołączona jest do dodatniego zacisku napięcia zasilania strony wyjściowej układu VCC2, a anoda tej diody dołączona jest do masy strony wyjściowej układu poprzez rezystor wyjściowy R9 oraz do wyjścia układu WY.

W układzie można wyróżnić dwa stany pracy. W pierwszym stanie układ pracuje jako układ pomiaru napięcia. Sygnał wyboru trybu pracy TRYB znajduje się w stanie niskim, a dioda transoptora przełączającego nie świeci. Tranzystory pierwszy T1 i drugi T2 są niewysterowane. Sygnał wejściowy WE dołączony jest do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego W poprzez pierwszy dzielnik rezystancyjny R1, R2. Wartość napięcia na wejściu nieodwracającym pierwszego wzmacniacza operacyjnego zostaje zmniejszona zgodnie ze stopniem podziału Ua = Uwe · R2/(R1 + R2). Napięcie wyjściowe pierwszego wzmacniacza operacyjnego W1 ustala się na wartość dodatnią względem masy strony pomiarowej układu. Napięcie to powoduje przewodzenie 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 rezystor piąty R5. Napięcie odłożone na rezystorze piątym R5 podawane jest na wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego W poprzez rezystor szósty R6. Z uwagi na dużą impedancję wejściową wejścia wzmacniacza W, prąd płynący przez rezystor szósty R6 jest pomijalnie mały i nie powoduje istotnego spadku napięcia na tym rezystorze. Wzmacniacz operacyjny ustala swoje napięcie wyjściowe w taki sposób, że wartość napięcia wytwarzanego na rezystorze R5 równa jest wartości napięcia wyjściowego Ua dzielnika rezystancyjnego R1, R2 dzięki działaniu pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego (Ub = Ua). Wartość prądu Ia przepływającego przez pierwszą fotodiodę podwójnego transoptora liniowego U1 jest zatem wyznaczana przez rezystor piąty R5 oraz napięcie Ua, Ia = Ua/(R5). 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 Uwy wynika ze spadku napięcia na rezystorze wyjściowym R9 wywołanym przepływem prądu Ib (Uwy = Ib · R9). Wartość napięcia wyjściowego wynosi zatem UWY = Ua · R9/R5, a więc UWY = UWE · R2/(R1 + R2) · R9/R5. Współczynnik wzmocnienia napięciowego pomiędzy wyjściem a wejściem wynosi zatem R2/(R1 + R2) · R9/R5.

W drugim stanie pracy, układ pracuje w trybie pomiaru prądu. Sygnał wyboru trybu pracy TRYB znajduje się w stanie wysokim, a dioda transoptora przełączającego świeci wysterowując fototranzystor wyjściowy transoptora. Tranzystory pierwszy T1 i drugi T2 są wysterowane. Tranzystor pierwszy T1 zwiera do masy zacisk rezystora pomiarowego R3. Prąd wpływający do wejścia pomiarowego IWE płynie przez rezystor pomiarowy R3 odkładając na nim napięcie (Iwe · R3), które podawane jest na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego W za pośrednictwem dzielnika rezystancyjnego R1, R2 i wynosi Ua = Iwe · R3 · R2/(R1 + R2). Napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego W ustala się na wartość dodatnią względem masy strony pomiarowej układu. Napięcie to powoduje przewodzenie 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 rezystor R5. Napięcie odłożone na rezystorze R5 przez przepływ prądu pierwszej fotodiody

PL 234 634 B1 podawane jest na wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego W za pośrednictwem dzielnika rezystancyjnego złożonego z rezystorów R6 i R7 ponieważ rezystor R7 dołączony jest do masy za pośrednictwem tranzystora T2. Rezystancja dzielnika rezystancyjnego R6, R7 jest znacząco większa od rezystancji rezystora R5 nie wpływając w istotny sposób na wartość napięcia odłożonego na rezystorze R5. Napięcie Ud na wejściu odwracającym wzmacniacza operacyjnego ustalone jest przez współczynnik podziału dzielnika rezystancyjnego R6, R7: Ud = Ub · R7/(R6 + R7). Dzięki działaniu pętli sprzężenia zwrotnego, napięcia na wejściach wzmacniacza operacyjnego są sobie równe Ud = Ua, a zatem napięcie to wynosi Ub = Iwe · R3 · R2/(R1 + R2) · (R6 + R7)/R7. Wartość prądu la przepływającego przez pierwszą fotodiodę podwójnego transoptora liniowego U1 jest zatem wyznaczana przez rezystor piąty R5 oraz napięcie Ub, la = Ub/R5. 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 = la. Wartość napięcia wyjściowego Uwy wynika ze spadku napięcia na rezystorze wyjściowym R9 wywołanym przepływem prądu Ib (Uwy = lb · R9). Wartość napięcia wyjściowego wynosi zatem Uwy = Ub/R5 · R9, a więc Uwy = Iwe · R3 · R2/(R1 + R2) · (R6 + R7)/R7/R5 · R9.

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 nie zawiera mechanicznych elementów przełączających, co ogranicza pobór prądu toru pomiarowego oraz jego gabaryty i niezawodność. Zastosowanie układu tranzystorów przełączających tryb pracy eliminuje konieczność stosowania dodatkowych, mechanicznych przełączników trybu pracy wejścia.

Zaletą jest również to, że układ nie zawiera przekaźnika przełączającego tryb pracy, co eliminuje problem utleniania styków przekaźnika oraz możliwość niezadziałania układu z powodu niespełnienia warunku przepływu minimalnego prądu przez styki przekaźnika do poprawnego ich zamknięcia (usunięcie tlenków z powierzchni styków).

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

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Uniwersalny układ pomiarowy z izolacją galwaniczną składający się ze wzmacniacza operacyjnego, podwójnego transoptora liniowego, transoptora przełączającego, rezystorów oraz tranzystorów, znamienny tym, że wejście pomiarowe (WE) dołączone jest do rezystora pomiarowego (R3) oraz pierwszego zacisku dzielnika rezystancyjnego złożonego z rezystora pierwszego (R1) i rezystora drugiego (R2), a drugi zacisk rezystora pomiarowego (R3) dołączony jest do drenu tranzystora pierwszego (T1), którego źródło dołączone jest do masy, a bramka dołączona jest do rezystora wyłączającego (R8), bramki tranzystora drugiego (T2) oraz do jednego wyjścia fototranzystora transoptora przełączającego (U2), którego drugie wyjście dołączone jest do dodatniego izolowanego napięcia zasilania strony pomiarowej (VCC), a katoda diody świecącej transoptora przełączającego (U2) dołączona jest do masy strony wyjściowej, natomiast anoda tej diody dołączona jest do sygnału wyboru trybu pracy (TRYB), podczas gdy drugi zacisk rezystora wyłączającego (R8) dołączony jest do masy, drugi zacisk rezystora drugiego (R2) dołączony jest do masy, a wyjście dzielnika (R1, R2) dołączone jest do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego (w), którego wyjście dołączone jest 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) dołączona jest do zacisku dodatniego izolowanego napięcia zasilania strony pomiarowej, a anoda tej diody dołączona jest do rezystora piątego (R5) oraz rezystora szóstego (R6), a drugi zacisk rezystora piątego (R5) dołączony jest do masy, natomiast drugi zacisk rezystora szóstego (R6) dołączony jest do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego (W) oraz do rezystora siódmego (R7), którego drugi zacisk dołączony jest do drenu tranzystora drugiego (T2), którego źródło dołączone jest

   PL 234 634 Β1 do masy, katoda drugiej fotodiody podwójnego transoptora liniowego (U1) dołączona jest do dodatniego zacisku napięcia zasilania strony wyjściowej układu (VCC2), a anoda tej fotodiody dołączona jest do masy strony wyjściowej układu poprzez rezystor wyjściowy (R9) oraz do wyjścia układu (WY).