ГАЛЬВАНИЧЕСКИ ИЗОЛИРОВАННЫЙ КОМПАРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ПИТАНИЕМ ОТ ВХОДНОГО СИГНАЛА
GALVANICALLY ISOLATED VOLTAGE COMPARATOR SUPPLIED BY INPUT SIGNAL

Изобретение относится к системам автоматического управления и контроля, в частности, для компарирования входного сигнала по нескольким уровням напряжения с передачей результата компарирования через оптрон.
Наиболее близкий по технической сути является гальванически изолированный компаратор напряжения с питанием от входного сигнала по патенту №2540808, содержащий регулируемый стабилитрон, диодный оптрон, КМОП микросхему с триггером Шмитта и пять резисторов, обеспечивающий гальваническую развязку от входного сигнала и не требующий изолированного источника питания.
Недостатком данного компаратора напряжения является большое значение минимального уровня напряжения компарирования, определяемое падением напряжения на регулируемом стабилитроне (2,5 В), светодиоде оптрона (примерно 1,5 В) и токозадающем резисторе светодиода оптрона.
При уровнях компарирования напряжения, близких к минимальным, малое значение сопротивления токозадающего резистора светодиода оптрона при превышении входным напряжением установленного порога компарирования вызывает значительное увеличение тока нагрузки на входной сигнал.
Указанные недостатки не позволяют использовать этот компаратор в качестве компаратора напряжения низкого уровня.
Предлагаемый гальванически изолированный компаратор напряжения с питанием от входного сигнала, состоящий из двух диодных оптопар, p-n-р и n-p-n транзисторов, одного переменного и четырех постоянных резисторов и триггера Шмитта КМОП микросхемы, обеспечивает минимальный уровень напряжения компарирования не более 2 В и не увеличивает ток нагрузки на входной сигнал при значительном превышении входным напряжением установленного порога компарирования.
Схема гальванически изолированного компаратора напряжения с питанием от входного сигнала приведена на чертеже.
На чертеже изображены:
1 - p-n-р транзистор;
2 - переменный резистор;
3 - токозадающий резистор p-n-р транзистора;
4 - токозадающий резистор n-p-n транзистора;
5 - резистор нагрузки фотодиода второй диодной оптопары;
6 - высокоомный резистор;
7 - первая диодная оптопара;
8 - n-p-n транзистор;
9 - вторая диодная оптопара;
10 - триггер Шмитта КМОП микросхемы;
+Uвх - входной вывод гальванически изолированного компаратора напряжения;
OV - общий вывод входного сигнала гальванически изолированного компаратора напряжения;
Выход - выходной вывод гальванически изолированного компаратора напряжения;
+U - вывод для подключения питающего напряжения КМОП микросхемы.
Напряжение компарирования входного сигнала компаратора определяется суммой падений напряжения на светодиоде второй диодной оптопары 9, эмиттер-коллекторе открытого p-n-р транзистора 1 и резисторах 3 и 2.
Максимальное напряжение входного сигнала ограничено наименьшим предельным напряжением коллектор-эмиттер транзисторов 1 или 8.
Работает компаратор напряжения следующим образом. Светодиоды диодных оптопар 7 и 9 используются как стабилитроны с напряжением стабилизации примерно 1,5 В и служат для стабилизации тока транзисторов 1 и 8. При напряжении входного сигнала меньше уровня компарирования ток через светодиоды диодных оптопар 7 и 9 не протекает. Нагрузкой коллектора p-n-р транзистора 1 является только ток базы n-p-n транзистора 8, а нагрузкой коллектора n-p-n транзистора 8 является только ток базы p-n-р транзистора 1, поэтому транзисторы 1 и 8 находятся в режиме насыщения и имеют минимальные значения напряжения коллектор - эмиттер. Высокоомный резистор 6 необходим для включения транзисторов 1 и 8 до момента достижения входным напряжением установленного уровня компарирования. При увеличении входного напряжения и достижении на светодиоде второй диодной оптопары 9 напряжения, достаточного для включения, через светодиод второй оптопары 9 начинает протекать ток, который вызовет увеличение тока через фотодиод второй диодной оптопары 9 и, следовательно, увеличение напряжения на резисторе нагрузки фотодиода второй диодной оптопары 5. Превышение напряжения на резисторе нагрузки фотодиода второй диодной оптопары 5 порога переключения триггера Шмитта КМОП микросхемы 10 приведет к его переключению. Триггер Шмитта КМОП микросхемы 10 служит для формирования выходного сигнала гальванически изолированного компаратора напряжения.
Ток светодиода второй диодной оптопары 9, необходимый для переключения триггера Шмитта КМОП микросхемы 10, устанавливается сопротивлением токозадающего резистора p-n-р транзистора 3. Величина сопротивления токозадающего резистора n-p-n транзистора 4 должна обеспечить достаточный ток базы р-n-р транзистора 1 для нахождения его в насыщении при напряжении входного сигнала равном уровню компарирования. Стабильность уровня компарирования определяется стабильностью напряжения включенного светодиода второй диодной оптопары 9, стабильностью напряжения насыщения коллектор - эмиттер р-n-р транзистора 1 и стабильностью токозадающего резистора р-n-р транзистора 3.
При значительном превышении напряжения входного сигнала уровня компарирования транзисторы 1 и 8 выходят из режима насыщения. Стабилизация их токов позволяет сохранить неизменным ток нагрузки компаратора на входной сигнал, не считая незначительного увеличения тока нагрузки компаратора от увеличения напряжения на высокоомном резисторе 6.
Переменным резистором 2 устанавливают уровень компарирования гальванически изолированного компаратора напряжения с питанием от входного сигнала.