УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ

Полезная модель усилитель постоянного тока с гальванической развязкой относится к информационно-измерительной технике и может быть использована в качестве нормирующего усилителя в системах сбора данных, а также в устройствах ввода аналоговых сигналов в ЭВМ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой модели является усилитель с гальванической развязкой (см. патент РФ 4723027/09 от 19.07.89) содержащий усилитель, модулятор и демодулятор, сигнальный и питающий трансформаторы, генератор импульсов и усилитель мощности.
Недостатками существующего усилителя с гальванической развязкой являются: наличие входного усилителя постоянного тока, что влечет за собой необходимость применения гальванически развязанного источника для его питания, отсутствие защиты от сквозных токов в усилителе мощности, что ухудшает помехозащищенность и увеличивает потребляемую мощность, использование трех трансформаторов, отсутствие подстройки «нулевого уровня» выходного сигнала, а также большой объем используемого оборудования.
Задачей предлагаемого технического решения является создание усилителя постоянного тока с гальванической развязкой и не требующего питающего напряжения во входной части, защитой от сквозных токов в усилителе мощности, подстройкой «нулевого уровня» выходного сигнала, а также создание устройства на базе одной микросхемы (БМК) с использованием в качестве гальванической развязки двух трансформаторов.
Техническим результатом является гальваническая развязка входного и выходного сигналов постоянного тока, отсутствие питающих напряжений во входной части, исключение сквозных токов в усилителе мощности, что необходимо для снижения потребляемой мощности и уровня помех, возможность подстройки «нулевого уровня» выходного сигнала, а также снижение массы и габаритов.
Технический результат достигается применением трансформаторной гальванической развязки модулятора и демодулятора, трансформаторной гальванической развязки между модулятором демодулятором и усилителем мощности, который управляется симметричным генератором импульсов, созданием модулятора на интегральных прерывателях, использованием отрицательной обратной связи по току в усилителе мощности, применением в демодуляторе схемы смещения нулевого уровня, применением аналогового БМК.
Этот результат достигается тем, что предлагаемый усилитель постоянного тока с гальванической развязкой содержит модулятор, выполненный на интегральных прерывателях, подключенный к первичной обмотке сигнального трансформатора, к вторичной обмотке которого подключен дифференциальный усилитель переменного сигнала, выход которого подключен к демодулятору,
который, как и модулятор подключен через питающий трансформатор к усилителю мощности, содержащему схему защиты от сквозных токов, а входы усилителя мощности подключены к выходам генератора импульсов.
Совокупность предложенных признаков позволяет осуществлять модуляцию, усиление и демодуляцию постоянного входного сигнала, снижение потребления тока от источника силового питания и уровня помех, подстраивать «нулевой уровень» выходного сигнала.
Использование подстройки «нулевого уровня» позволяет исключить инструментальную погрешность смещения «нулевого уровня» и обеспечить любое требуемое значение смещения диапазона изменения выходного сигнала от входного, что необходимо при работе с системами сбора данных.
Функциональная электрическая схема усилителя постоянного тока с гальванической развязкой представлена на фигуре 1.
1. Модулятор (см. Модуляторы малых сигналов, Б.А.Калинчук,
О.А.Пичугин, «Энергия», Ленинградское отделение, 1972 г., стр.99, рис.4-37);
2. Сигнальный трансформатор;
3. Первичная обмотка сигнального трансформатора;
4. Вторичная обмотка сигнального трансформатора;
5. Усилитель переменного тока (см. Искусство схемотехники, «Мир», Москва, 1986, стр.450, рис.7. 17б);
6. Демодулятор (фигура 2) (см. Аналоговые интегральные схемы, «Мир», Москва, 1988, стр.393, рис.35. 32);
7. Питающий трансформатор;
8. Первая вторичная обмотка питающего трансформатора;
9. Вторая вторичная обмотка питающего трансформатора;
10. Первичная обмотка питающего трансформатора;
11. Ключевой усилитель мощности (фигура 3);
12. Генератор импульсов;
Принципиальная электрическая схема демодулятора представлена на фигуре 2.
13. Третий резистор демодулятора;
14. Первый резистор демодулятора;
15. Второй резистор демодулятора;
16. Операционный усилитель;
17. Интегральный прерыватель;
18. Четвертый резистор демодулятора;
19. Источник опорного напряжения;
Принципиальная электрическая схема ключевого усилителя мощности представлена на фигуре 3.
20. Первый резистор;
21. Второй резистор;
22. Третий резистор;
23. Четвертый резистор;
24. Первый транзистор (первый p-n-p транзистор);
25. Второй транзистор (второй p-n-p транзистор);
26. Третий транзистор (первый n-p-n транзистор);
27. Четвертый транзистор (второй n-p-n транзистор);
28. Пятый резистор.
Усилитель постоянного тока с гальванической развязкой (фиг.1) состоит из генератора импульсов (12) два выхода которого подключены к входам ключевого усилителя мощности (11), выходы которого подключены к первичной обмотке (10) питающего трансформатора (7), первая вторичная обмотка (8) питающего трансформатора (7) подключена к управляющим входам модулятора (1), вход которого является входом устройства, а выходы подключены к первичной обмотке (3) сигнального трансформатора (2), вторичная обмотка (4) сигнального трансформатора (2) подключена к входам усилителя переменного тока (5), выход которого подключен к входу демодулятора (6), выход которого является выходом устройства, а управляющие входы подключены ко второй вторичной обмотке (9) питающего трансформатора (7).
Демодулятор (фиг.2) состоит из переключателя полярности коэффициента усиления (позиции с 13 по 17 см. Аналоговые интегральные схемы, «Мир», Москва, 1988, стр.393, рис.35. 32), первого резистора демодулятора (14) первый вывод которого подключен к первому выводу второго резистора демодулятора (15) и является входом демодулятора, а второй вывод подключен к инверсному входу операционного усилителя (16) выход которого является выходом демодулятора и через третий резистор демодулятора (13) подключен к своему инверсному входу, второй вывод второго резистора демодулятора (15) подключен к не инверсному входу операционного усилителя (16) и к входу интегрального прерывателя (17), выход которого подключен к общей шине питания, управляющие входы интегрального прерывателя (17) являются управляющими входами демодулятора, кроме того, инверсный вход операционного усилителя (16) через четвертый резистор (18) подключен к управляемому источнику опорного напряжения (19).
Ключевой усилитель мощности (фиг.3) состоит из двух n-p-n транзисторов Q3 (26) и Q4 (27), базы которых являются входами ключевого усилителя мощности, пятого резистора R5 (28) один вывод которого подключен к эмиттерам транзисторов Q3 (26) и Q4 (27), а второй вывод которого, подключен к общей шине питания, эмиттера двух p-n-p транзисторов Q1 (24) и Q2 (25), а также первые выводы первого резистора R1 (20) и третьего резистора R3 (22) подключены к соответствующей шине питания, вторые выводы первого резистора R1 (20) и третьего резистора R3 (22) подключены соответственно к
базам транзисторов Q1 (24) и Q2 (25), второй резистор R2 (21) один вывод которого подключен к базе транзистора Q1 (24), а второй вывод которого, подключен к коллекторам транзисторов Q3 (26) и Q2 (25), а также является вторым выходом ключевого усилителя мощности, четвертый резистор R4 (23) один вывод которого подключен к базе транзистора Q2 (25), а второй вывод которого, подключен к коллекторам транзисторов Q4 (27) и Q1 (24), а также является первым выходом ключевого усилителя мощности.
Усилитель постоянного тока с гальванической развязкой работает следующим образом. Входной сигнал постоянного тока в модуляторе (1) преобразуется в переменное напряжение амплитуда которого равна величине входного сигнала, а частота определяется частотой управляющего напряжения генератора импульсов (12). Переменное напряжение прикладывается к первичной обмотке (3) сигнального трансформатора (2). Управляющий сигнал имеет форму меандра и через питающий трансформатор (7) передается на управляющие входы модулятора (1) и демодулятора (6). На вторичной обмотке (4) сигнального трансформатора (2) образуется сигнал в виде меандра с размахом амплитуды удвоенного входного сигнала. Полученный сигнал усиливается усилителем переменного тока (5) и передается на вход демодулятора (6) на выходе образуется сигнал постоянного тока, пропорциональный входному сигналу, причем коэффициент пропорциональности равен коэффициенту усиления усилителя переменного тока (5).
В качестве демодулятора (фигура 2) применен переключатель полярности усиления управляемый напряжением (см. Аналоговые интегральные схемы, «Мир», Москва, 1988, стр.393, рис.35. 32).
Для подстройки «нулевого уровня» (осуществления маштабирования) выходного сигнала в схему введен подстраиваемый источник опорного напряжения (19), подключенный к инвертирующему входу операционного усилителя (16) через четвертый резистор демодулятора (18).
Ключевой усилитель мощности (фигура 3) выполнен по мостовой двухтактной схеме, то есть его плечи работают попеременно. Допустим на входе 1 высокий уровень напряжения, а на входе 2 низкий уровень напряжения. Тогда третий транзистор (26) в насыщении (открыт), а четвертый транзистор (27) в отсечке (закрыт). Следовательно, через первый резистор (20) и второй резистор (21) течет ток и открывается первый транзистор (24), в то время как второй транзистор (25) закрыт, потому что через третий резистор (22) и четвертый резистор (23), ток не течет. В результате на первом выходе создается напряжение высокого уровня, а на втором выходе напряжение низкого уровня. После того как на первый вход подается сигнал низкого уровня, а на второй вход высокого уровня, первый транзистор (24) и третий транзистор (26) закрываются, а второй транзистор (25) и четвертый транзистор (27) открываются. Следовательно, на первом выходе образуется низкий уровень напряжения, а на втором выходе
П
высокий уровень напряжения. В момент переключения может создаться такая ситуация, когда оба плеча открыты и протекает сквозной ток, который достигает значительной величины. Чтобы избежать такой ситуации используется отрицательная обратная связь, которая осуществляется через пятый резистор (28). Кроме того на время процесса переключения потребляемый ток I ограничивается на уровне:
П
ВХ
БЭ
I≈(U-U)/R5, где
ВХ
U - величина входного напряжения на входе усилителя мощности;
БЭ
U - напряжение между базой и эмиттером открытого транзистора (Q3, Q4);
R5 - сопротивление пятого резистора.