RU184807U1 - Гальванически развязанный преобразователь токового сигнала в напряжение с использованием оптронов общего применения - Google Patents

Abstract

Схема гальванически развязанного преобразователя тока обеспечивает высокие параметры преобразования сигнала при использовании транзисторных оптопар общего применения и не имеет активных элементов со стороны входа. Для достижения технического результата использованы две оптопары, которые имеют одинаковые параметры. Выходы обоих оптронов соединены последовательно в электрическую цепь, на которую поступает напряжение питания. Сигнал со средней точки цепи поступает на вход операционного усилителя. На другой вход операционного усилителя поступает опорное напряжение, равное половине напряжения питания. На вход одного оптрона поступает измеряемый сигнал, а на вход другого – сигнал с выхода операционного усилителя. Для выполнения равенства напряжений на входах усилителя величина генерируемого усилителем тока должна быть равной измеряемому току. Измеряемый ток поступает на вход измерительного устройства. По аналогичному принципу реализована и обратная схема преобразования входного напряжения в гальванически развязанный токовый выходной сигнал. Обратная схема может быть дополнена элементами, которые позволяют одновременно выполнять и функции устройства выборки и хранения.

Description

Полезная модель относится к вычислительной технике, в частности к линиям передачи и ввода/вывода аналоговых сигналов.

При вводе/выводе информации в вычислительных устройствах (ВУ) большое значение имеет гальваническая развязка цепей обмена данными между источниками сигнала, исполнительными устройствами и микропроцессорными блоками управления (МБУ). Поскольку длина линий связи может достигать сотен и более метров, на нее воздействуют внешние электромагнитные импульсы которые, при отсутствии гальванической развязки, могут приводить, как к сбоям в работе МБУ, так и к выходу их из строя. Гальваническая развязка должна решать две основные задачи: не пропускать помехи внутрь МБУ, и противостоять воздействию мощных электромагнитных импульсов, способных вывести МБУ из строя.

С этими задачами давно и успешно справляются оптоэлектронные приборы и в том числе – транзисторные оптопары. Они хорошо справляются с задачей гальванической развязки дискретных сигналов, передающих значения 0 и 1.

Однако оптопары обладают большой нелинейностью, поэтому в чистом виде для передачи аналогового сигнала они не подходят. Для устранения этого недостатка, как правило, применяют специализированные "сдвоенные" диодные оптопары, например IL300 или HCNR200, с показанной на рис.1 схемотехникой.

Здесь, один из фотодиодов включен в цепь обратной связи операционного усилителя, что устраняет нелинейность передаточной характеристики оптопары. Некоторая нелинейность, определяемая несогласованностью передаточных характеристик двух оптопар внутри одного корпуса остается, но она значительно меньше, чем нелинейность одной отдельно взятой пары светодиод-фотодиод без обратной связи. К недостаткам такого решения можно отнести:

наличие активного (требующего отдельного источника питания) элемента на входе, что к тому же существенно понижает защищенность входных цепей, особенно при наличии длинной линии;

высокую стоимость специализированных микросхем, которая почти на порядок превышает стоимость обычных транзисторных оптопар.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагается схема оптронной гальванической развязки канала приема токового аналогового сигнала,

Поэтому была разработана схема с обратной связью не имеющая активных элементов во входных цепях и обеспечивающая высокую точность преобразования, при использовании транзисторных оптронов общего применения.

Ниже приведен вариант такого схемотехнического решения (Рис.2), в котором симметричное включение двух оптронов с идентичными характеристиками взаимно компенсирует как нелинейность характеристики, так и влияние внешних факторов.

Принцип работы преобразователя удобно пояснить на следующей эквивалентной схеме (Рис.3).

Транзистор оптрона можно представить эквивалентным переменным резистором Rэ, сопротивление которого регулируется током, протекающим через диод оптрона. Через диод оптрона VT1.1 протекает измеряемый ток Iвх, а через диод оптрона VT1.2 – выходной ток ОУ U1 – Iоу. Величина выходного тока ОУ определяется условием, что величины напряжения на положительном и отрицательном входах ОУ должны быть практически одинаковыми. Напряжение на положительном входе ОУ задается делителем R4=R5 и составляет величину Vcc/2. Тогда, исходя из требования равенства напряжений на входах ОУ, внутренние сопротивления транзисторов оптронов так же должны быть равны, что возможно при выполнении условия Iвх*К1 = Iоу*К2, где К1 и К2 – коэффициенты передачи по току оптронов VT1.1 и VT1.2. В этом случае ток, протекающий через резистор R3, определяется формулой: Iоу= IвхК2/К1, то есть линейно зависит от значения входного тока. Необходимое значение коэффициента передачи устанавливается изменением сопротивления R3.

Ввиду высокой идентичности оптронов в рамках одного корпуса, нелинейность характеристик и воздействие внешних факторов будет компенсироваться симметричностью схемы. Цепь R6,С1 (обратная связь по переменному току) и резистор R2 обеспечивают устойчивость работы ОУ, а R2 дополнительно задает смещение Vcc/2 при Iвх=0.

Как показало макетирование с использованием нескольких типов оптронов, схема обеспечивает линейность преобразования не хуже 0,1% в диапазоне токов от 4 до 20 мА.

По аналогичному принципу может быть реализовано и обратное преобразование входного напряжения в выходной токовый сигнал.

Выходной ток регулируется транзистором оптрона VT1.1. Его величина определяется выходным током ОУ Iвых=Iоу*К1, где К1 – коэффициент передачи по току. Этот ток протекает через диод измерительного оптрона VT1.2, который формирует ток Iизм = Iвых*К2, где К2 – коэффициент передачи по току. Этот ток формирует на отрицательном входе ОУ напряжение Uос = Iизм*R2. Исходя из условия работы ОУ – Uос=Uвх, получаем следующее соотношение:

Iвых= Uвх /(К2*R2).

Таким образом, значение выходного тока линейно зависит от значения входного напряжения, а коэффициент передачи схемы регулируется переменным резистором R2.

Если на вход схемы (рис.4) добавить электронный коммутатор S1 и конденсатор C1, как показано на рис.5, то она может выполнять так же функцию устройства выборки и хранения.

При подаче разрешающего сигнала на вход Uупр значение входного сигнала Uвх поступает на вход + ОУ и перезаряжает конденсатор С1, а при снятии разрешающего сигнала, его значение, в течение некоторого времени, сохраняется на конденсаторе.

Claims (3)

1. Преобразователь токового сигнала в напряжение, обеспечивающий гальваническую развязку и отличающийся тем, что не имеет активных элементов со стороны входа, реализован на транзисторных оптронах общего применения и имеет обратную связь, реализованную на операционном усилителе и обеспечивающую высокую линейность и точность преобразования во всем диапазоне токов.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что осуществляет обратное преобразование входного напряжения в гальванически развязанный выходной токовый сигнал.

3. Преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что за счет добавления электронного коммутатора и конденсатора на входе операционного усилителя способен дополнительно выполнять функции устройства выборки и хранения.

Images