УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ
DEVICE FOR GALVANIC SIGNAL SEPARATION

Устройство для гальванического разделения сигналов относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано, например, для контроля напряжения гальванически развязанного аккумулятора. Кроме того, дополнительно обеспечивается контроль температуры аккумулятора.
Известно устройство для гальванического разделения сигналов (см. ж. «Передовой производственно-технический опыт», серия Т9, №3, 1986 г., Попов Ю.Б. УДК 621.391.827 86ППТО Т9.03.Ц53371 (С-464-83)), содержащее входной каскад с дифференциальным выходом на двух операционных усилителях, балансный модулятор на аналоговых ключах, подключенных к входной обмотке импульсного трансформатора, задающий генератор на двух D-триггерах, подключенных к аналоговым ключам и генераторной обмотке импульсного трансформатора, синхронный демодулятор на аналоговом ключе и операционном усилителе, подключенном к другим обмоткам импульсного трансформатора, активный фильтр на третьем операционном усилителе.
Недостатками известного устройства для гальванического разделения сигналов являются:
- необходимость двуполярного источника питания для операционных усилителей и однополярного источника питания для цифровых микросхем, что недопустимо увеличивает габаритные размеры устройства;
- большое энергопотребление (150 мВт без учета кпд источников питания).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для гальванического разделения сигналов (см. патент РФ №2231900 приоритет от 22.08.2002 г. «Устройство для гальванического разделения сигналов» авторов Гутникова А.И., Можайченко В.Г. МПК H02M 3/335 опубл. 27.06.2004 БИ №18), содержащее автоколебательный блокинг-генератор с нагрузочной и компенсирующей обмотками, резистивный делитель, диодно-резистивный делитель, три конденсатора, клеммы для подключения источника и приемника сигналов соответственно, резистор, первый и второй пиковые детекторы. Первая клемма для подключения источника сигнала через резистор подключена к плюсовому выводу питания автоколебательного блокинг-генератора и через первый конденсатор с минусовым выводом питания автоколебательного блокинг-генератора и второй клеммой для подключения источника сигнала. Начало нагрузочной обмотки соединено с первым выводом первого пикового детектора, второй вывод которого соединен с концом нагрузочной обмотки, с первым выводом резистивного делителя и через второй конденсатор со средней точкой резистивного делителя и с первой клеммой для подключения приемника сигнала. Третий вывод первого пикового детектора соединен со вторым выводом резистивного делителя. Первая клемма для подключения приемника сигнала соединена через третий конденсатор со второй клеммой для подключения приемника сигнала, которая соединена с первым выводом диодно-резистивного делителя, первым выводом второго пикового детектора и с концом компенсирующей обмотки, начало которой соединено со вторым выводом второго пикового детектора, третий вывод которого соединен со вторым выводом диодно-резистивного делителя. Средняя точка диодно-резистивного делителя соединена с первым выводом резистивного делителя.
Положительной особенностью устройства для гальванического разделения сигналов является отсутствие источников питания, в качестве которого выступает сама контролируемая цепь (например, аккумулятор).
Недостатками данного устройства для гальванического разделения сигналов являются ограниченные функциональные возможности и диапазон сигналов:
- устройство не может быть использовано с источником сигнала повышенного напряжения из-за перегрузки транзистора блокинг-генератора и импульсного трансформатора;
- устройство не обеспечивает защиту приемника сигнала от помех источника сигнала и усреднение сигнала из-за отсутствия сглаживающего фильтра;
- устройство не имеет дополнительного выхода указателя температуры контролируемого источника.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей.
Для достижения технического результата в устройстве для гальванического разделения сигналов, содержащем автоколебательный блокинг-генератор с нагрузочной обмоткой, начало и конец которой соединены соответственно с первым и вторым выводами пикового детектора, первую клемму для подключения приемника сигнала, соединенную через первый конденсатор со второй клеммой для подключения приемника сигнала, которая соединена с первым выводом диодно-резистивного делителя, первую клемму для подключения источника сигнала, соединенную с первым выводом резистора, вторую клемму для подключения источника сигнала, соединенную с минусовым выводом питания автоколебательного блокинг-генератора и через второй конденсатор с плюсовым выводом питания автоколебательного блокинг-генератора, третий конденсатор и резистивный делитель, новым является то, что дополнительно введены первый и второй n-канальные полевые транзисторы с изолированным затвором, второй вывод пикового детектора соединен с первым выводом диодно-резистивного делителя, средняя точка которого соединена с первой клеммой для подключения приемника сигнала, а второй вывод соединен с третьим выводом пикового детектора, первая клемма для подключения источника сигнала соединена через резистивный делитель с затвором и стоком первого n-канального полевого транзистора, а вторая клемма  соединена с истоком первого n-канального полевого транзистора и через третий конденсатор со средней точкой резистивного делителя, которая соединена с затвором второго n-канального полевого транзистора, сток которого соединен со вторым выводом резистора, а исток подключен к плюсовому выводу автоколебательного блокинг-генератора.
Заявленное устройство обладает расширенными функциональными возможностями и диапазоном сигнала:
- устройство может быть использовано с источником сигнала повышенного напряжения из-за исключения перегрузки транзистора блокинг-генератора и импульсного трансформатора за счет деления высокого напряжения источника сигнала до допустимого значения при помощи активного (термокомпенсирующего устройство в целом) делителя на двух n-канальных полевых транзисторах с изолированным затвором, резистивном делителе, втором и третьем конденсаторах;
- устройство обеспечивает защиту приемника сигнала от помех источника сигнала и усреднение сигнала за счет сглаживающего фильтра на резисторе и втором конденсаторе в цепи активного делителя;
- устройство может иметь дополнительный выход указателя температуры (контролируемого источника сигнала) на переходе затвор-исток первого n-канального полевого транзистора с изолированным затвором.
На фигуре представлен пример реализации функциональной схемы устройства для гальванического разделения сигналов с дополнительным выходом.
Устройство для гальванического разделения сигналов содержит автоколебательный блокинг-генератор 1 с нагрузочной обмоткой 2, пиковый детектор 3, первую 4.1 и вторую 4.2 клеммы для подключения приемника сигнала, первый 5 конденсатор, диодно-резистивный делитель 6, первую 7.1 и вторую 7.2 клеммы для подключения источника сигнала, резистор 8, второй 9 и третий 10 конденсаторы, резистивный делитель 11, первый 12 и второй 13 n-канальные полевые транзисторы с изолированным затвором, дополнительный выход 14.
Начало нагрузочной обмотки 2 соединено с первым выводом пикового детектора 3. Второй вывод пикового детектора 3 соединен с концом нагрузочной обмотки 2, первым выводом диодно-резистивного делителя 6 и со второй клеммой 4.2 для подключения приемника сигнала, которая через первый конденсатор 5 соединена с первой клеммой 4.1 для подключения приемника сигнала и средней точкой диодно-резистивного делителя 6. Второй вывод диодно-резистивного делителя 6 соединен с третьим выводом пикового детектора 6. Первая клемма 7.1 для подключения источника сигнала соединена с первым выводом резистора 8 и через резистивный делитель 11 с затвором и стоком первого 12 n-канального полевого транзистора. Вторая клемма 7.2 для подключения источника сигнала соединена с минусовым выводом питания автоколебательного блокинг-генератора 1, с истоком первого n-канального полевого транзистора 12, через третий конденсатор 10 со средней точкой резистивного делителя 11 и через второй конденсатор 9 с плюсовым выводом питания автоколебательного блокинг-генератора 1 и истоком второго n-канального полевого транзистора 13. Средняя точка резистивного делителя 11 соединена с затвором второго n-канального полевого транзистора13, сток которого соединен со вторым выводом резистора 8. Точка объединения затвора и стока первого n-канального полевого транзистора 12 является дополнительным выходом 14.
Устройство для гальванического разделения сигналов выполнено на парных n-канальных полевых транзисторах с изолированным затвором типа 2П7190 и автоколебательном блокинг-генераторе на биполярном транзисторе типа 2Т208М, импульсном трансформаторе типа ТИМ 167. Пассивные элементы схемы - прецизионные резисторы типа С2-29В, конденсаторы типа К10-43В, К53-56, парные диоды типа 2ДС523В.
Устройство для гальванического разделения сигналов работает следующим образом.
Повышенное измеряемое напряжение с клемм 7.1, 7.2 источника сигнала поступает на плюсовой и минусовой выводы питания автоколебательного блокинг-генератора 1 не непосредственно, а через активный делитель напряжения (термокомпенсирующее устройств в целом), выполненный на n-канальных полевых транзисторах 12, 13 с изолированным затвором, резистивном делителе 11, втором 9 и третьем 10 конденсаторах.
Второй конденсатор 9 является неотъемлемой частью автоколебательного блокинг-генератора 1, емкость которого велика, что необходимо для обеспечения стабильности коэффициента передачи импульсного блокинг-генератора 1. Для работы с большой емкостью второго конденсатора 9 и сверхмалым током резистивного делителя 11, активный делитель повышенного напряжения выполняют не на биполярных, а на полевых транзисторах 12, 13, обеспечивающих стабильную работу с большой емкостной нагрузкой. При этом автоколебательный блокинг-генератор 1 выполняют в виде нагрузки активного делителя напряжения.
Входное напряжение аккумулятора (на фигуре не показан), поступающее на клеммы 7.1, 7.2, достигает 82В. Выходное напряжение активного делителя не превышает 30В для обеспечения безопасной работы автоколебательного блокинг-генератора 1. Ток потребления не превышает 2 мА.
В пусковом режиме (включение питания) резистор 8 ограничивает ток и снижает до допустимого напряжение в цепи сток-исток n-канального полевого транзистора 13 с изолированным затвором и совместно со вторым конденсатором 9 обеспечивает в рабочем режиме фильтрацию помех с клемм 7.1, 7.2 и стабильную работу блокинг-генератора 1. Третий конденсатор 10 в цепи затвора n-канального полевого транзистора 13 с изолированным затвором обеспечивает устойчивую работу блокинг-генератора 1 и защищает цепь исток-затвор и сток-затвор n-канального полевого транзистора 13 с изолированным затвором от пробоя напряжением на втором конденсаторе 9 при включении и выключении напряжения источника сигнала на клеммах 7.1, 7.2. Условие защиты таково: постоянная времени, задаваемая резистором 8 и вторым конденсатором 9, должна быть равна постоянной времени, задаваемой параллельно включенными резисторами резистивного делителя 11 и третьим конденсатором 10.
Автоколебательный блокинг-генератор 1 вырабатывает напряжение на нагрузочной обмотке 2, которое через пиковый детектор 3 и диодно-резистивный делитель 6 поступает на первый конденсатор 5 и в приемник сигнала через клеммы 4.1, 4.2.
Достаточно высокое статическое напряжение (3В) на переходе затвор-исток n-канального полевого транзистора 12 с изолированным затвором и его температурный коэффициент напряжения (минус 5 мВ/°C) обеспечивают дополнительный выход 14 для измерения температуры (например, аккумулятора). Устройству не нужна термокомпенсирующая обмотка ближайшего аналога, которая может быть использована по другому назначению.
Термокомпенсирующее влияние n-канального полевого транзистора 12 с изолированным затвором распространяется на парный ему n-канальный полевой транзистор 13 и диод пикового детектора 3.
Термокомпенсирующее влияние n-канального полевого транзистора с изолированным затвором 13 распространяется на диод диодно-резистивного делителя 6.
Термокомпенсирующее влияние указанных активных элементов зависит от соотношения резисторов в резистивном делителе 11 и диодно-резистивном делителе 6.
В целом за счет термокомпенсации напряжение на клеммах 4.1, 4.2 приемника сигнала остается постоянным и не зависит от температуры, а зависит от напряжения на клеммах 7.1, 7.2 источника сигнала.
Экспериментально установлено, что влияние напряжения насыщения коллекторно-эмиттерного перехода p-n-p-транзистора автоколебательного блокинг-генератора 1 и коэффициента передачи импульсного трансформатора автоколебательного блокинг-генератора 1 невелико (за счет низкого температурного коэффициента напряжения насыщения и коэффициента передачи) и может быть при необходимости скомпенсировано указанными выше цепями.
Заявленное устройство обладает расширенными функциональными возможностями и диапазоном сигналов:
- устройство может быть использовано с источником сигнала повышенного напряжения (аккумулятор 82В) из-за исключения перегрузки транзистора блокинг-генератора 1 и его импульсного трансформатора за счет деления высокого напряжения 82В источника сигнала до допустимого значения 30В при помощи активного (термокомпенсирующего устройства в целом) делителя на двух n-канальных полевых транзисторах с изолированным затвором 12, 13, резистивном делителе 11, втором 9 и третьем 10 конденсаторах;
- устройство обеспечивает защиту приемника сигнала от помех источника сигнала в диапазоне от 20 Гц до 100 кГц и усреднение сигнала за счет сглаживающего фильтра на резисторе 8 и втором конденсаторе 9 в цепи активного делителя;
- устройство может иметь при необходимости дополнительный выход 14 для указателя температуры (контролируемого источника сигнала) в диапазоне от минус 40 до более 100°C на переходе затвор-исток второго n-канального полевого транзистора с изолированным затвором 12.
Сохранена положительная особенность ближайшего аналога - отсутствие источников питания, в качестве которого выступает сама контролируемая цепь (аккумулятор). Также сохранены метрологические характеристики ближайшего аналога.
При необходимости совокупность измеренных напряжений аккумулятора и его температура позволяют рассчитать остаточную емкость аккумулятора.