Преобразователь переменного двухполярного напряжения в положительное смещенное напряжение

Предлагаемая полезная модель относится к области информационно-измерительной техники и может использоваться при создании входных преобразователей микропроцессорных систем в качестве датчиков параметров сети переменного тока, в частности тока нагрузки.
Предшествующий уровень техники отражает амплитудный преобразователь переменного напряжения в постоянное [1], содержащий входные зажимы, трансформатор, фильтр нижних частот, первый и второй формирователи модуля, первый и второй конденсаторы, резистор, коммутатор, повторитель напряжения, выходной зажим, пороговый элемент, одновибратор.
Недостатком аналога является значительная сложность схемы, для ее реализации требуется 5 операционных усилителей.
Прототипом предлагаемого технического решения является буферный усилитель входного сигнала с большим коэффициентом усиления и большим входным сопротивление [2], содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к входному зажиму, а выход связан с выходным зажимом, соединенным через резистор обратной связи с инвертирующим входом операционного усилителя, соединенным через дополнительный резистор с шиной нулевого потенциала, выводы «+» и «-» двухполярного источника стабилизированного напряжения соединены соответственно с выводами «+» и «-» операционного усилителя.
Недостатком прототипа являются узкие функциональные возможности, поскольку с его помощью может получено только двухполярное выходное напряжение, которое не может быть подано непосредственно на вход микропроцессорных систем без выпрямления.
Техническая задача, решаемая полезной моделью - расширение функциональных возможностей за счет получения на выходе преобразователя положительного смещенного напряжения.
Указанная техническая задача решается благодаря тому, что в буферный усилитель входного сигнала с большим коэффициентом усиления и большим входным сопротивление, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к входному зажиму, а выход связан с выходным зажимом, соединенным через резистор обратной связи с инвертирующим входом операционного усилителя, соединенным через дополнительный резистор с шиной нулевого потенциала, выводы «+» и «-» двухполярного источника стабилизированного напряжения соединены соответственно с выводами «+» и «-» операционного усилителя, дополнительно введен резистор смещения, через который соединены инвертирующий вход операционных усилителя и вывод «-» двухполярного источника стабилизированного напряжения.
Существенными отличиями предлагаемого преобразователя переменного двухполярного напряжения в положительное смещенное напряжение являются введение дополнительного элемента (резистора смещения), а также использование новых связей между элементами преобразователя. Эти существенные отличия обеспечивают достижение положительного эффекта - расширения функциональных возможностей за счет получения на выходе преобразователя положительного смещенного напряжения.
Схема преобразователя представлена на фиг. 1.
Схема преобразователя переменного двухполярного напряжения в положительное смещенное напряжение содержит операционный усилитель 1, входной 2 и выходной 3 зажимы, резистор 4 обратной связи, дополнительный резистор 5, резистор 6 смещения, двухполярный источник 7 стабилизированного напряжения. Входной зажим 2 соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 1, выход которого связан с выходным зажимом 3, соединенным через резистор 4 обратной связи с инвертирующим входом операционного усилителя 1, соединенным через дополнительный резистор 4 с шиной нулевого потенциала, а также подключенным к выводу «-» двухполярного источника 7 стабилизированного напряжения (ИСН), выводы «+» и «-» которого соединены соответственно с выводами «+» и «-» операционного усилителя 1.
Рассмотрим работу преобразователя.
Изображенная на фиг.1 схема предназначена для преобразования входного сигнала синусоидальной формы (имеющего как положительное, так и отрицательное значения) в однополярное положительное напряжение.
Необходимость такого преобразования входного сигнала возникает из-за особенностей используемых в микропроцессорных устройствах и системах аналого-цифровых преобразователей (АЦП), входное напряжение которых обычно лежит в интервале положительных значений (чаще всего в интервале 0 … 3,3 В или 0 … 5 В).
Рассмотрим порядок выбора элементов преобразователя при его применении в качестве датчика тока сети переменного тока.
Учитывая, что ток нагрузки силовых трансформаторов на районных подстанциях составляет сотни Ампер, с целью измерения его понижают с помощью измерительного трансформатора тока (ТТ; на фиг. 1 не показан). Ток вторичной обмотки ТТ составляет 0 … 5 А. Во вторичную обмотку ТТ включают шунт, напряжение на котором лежит в диапазоне 0 … 75 мВ. Учитывая, что размах выходного напряжения преобразователя должен быть равен 3 В, Коэффициент усиления K преобразователя по переменному току равен
С другой стороны, коэффициент усиления K преобразователя по переменному току равен [2]
4
Вначале задаем значение резистора 4 обратной связи, например R=10 кОм.
Затем с учетом формул [1] и [2] определяем значение резистора 5
Коэффициент усиления преобразователя через резистор 6 смещения равен
см
см
Оптимальное значение напряжения смещения U равняется половине рабочего диапазона входного напряжения АЦП, т.е. в рассматриваемом примере U=1,65 В. Напряжение смещения также определяется формулой
Из формулы (4) определяем значение резистора 6 смещения
вых
На выходном зажиме 3 преобразователя появляется положительное смещенное напряжение u (см. фиг. 2).
Преимуществами предлагаемого преобразователя являются: по сравнению с аналогом - упрощение схемы (за счет применения 1 операционного усилителя вместо 5 для реализации схемы); по сравнению с прототипом - расширение функциональных возможностей за счет получения на выходе положительного смещенного напряжения.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания заявки:
1. Пат. 2190230 РФ, МПК G01R 19/22, 2001.
2. Граф Р. Электронные схемы: 1300 примеров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 688 с. (прототип).