УСИЛИТЕЛЬ С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и может быть использована в электроизмерительной технике.
При построении различных электронных устройств для проведения измерений с одновременным опросом нескольких датчиков возникает задача построения усилителей постоянного тока (УПТ) с гальванической развязкой между входом и выходом.
Развязка аналоговых каналов измерения предотвращает паразитную связь по общей земле и уменьшает уровень помех. Такой усилитель также позволяет получить защиту узлов оконечной обработки измерительного прибора, например АЦП, микропроцессоров и т.п., так как при попадании перенапряжения на вход происходит только повреждение электронных компонентов до элемента развязки.
Известен УПТ с гальванической развязкой с преобразованием постоянного в тока в переменной с применением системы модулятор-демодулятор, в которой производится преобразование постоянного тока в переменный и для гальванической развязки по переменному току применяется обыкновенный трансформатор. Затем переменный ток снова преобразуется в постоянный ток. [Андрусевич А. Четыре в одном, или как максимально упростить гальваническую развязку аналогового канала. - Новости электроники, 15, 2007].
Из того же источника известно техническое решение УПТ с гальванической развязкой, в котором реализуется предварительное преобразование аналогового сигнала в цифровой с помощью АЦП с выходом в последовательном коде, и затем передача его по цифровому каналу с оптронной развязкой. Данное техническое решение обеспечивает точную передачу сигнала, но недостатком является сложное конструктивное выполнение.
Недостатком известных устройств с преобразованием постоянного в тока в переменной является то, что всегда будет происходить просачивание частоты несущей во входную цепь. В некоторых случаях это является недопустимым, так как не обеспечивается электромагнитная совместимость.
Наиболее близким к заявляемой патентной полезной модели, является усилитель постоянного тока с гальванической развязкой на базе двух диодных оптопар, при этом одна диодная оптопара включена между двумя каскадами усилителя постоянного тока, другая диодная оптопара включена в цепь отрицательной обратной связи. В данном устройстве преобразование постоянного тока в переменный отсутствует и, следовательно, отсутствует паразитное просачивание несущей частоты во входную цепь, что устраняет недостатки схем модулятор-демодулятор. Обе оптопары имеют идентичные характеристики. Зарубежной промышленностью выпускаются диодные оптопары специально с повышенной линейностью, предназначенные для построения усилителей постоянного тока. Примером таких оптопар являются приборы HCNR200 и HCNR201 (Avago). [Описание к паспорту на оптопару HCNR200: HCNR200 and HCNR201 - High linearity analog optocoupler. http://www.avagotech.com/]
Диодная оптопара (диодный оптрон) представляет собой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом.
Принцип действия оптопары (оптрона) любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую энергию, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.
В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок и т.д.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение устойчивости усилителя к синфазным помехам по входной цепи, расширение области применения данного устройства
Поставленная техническая задача решается тем, что в усилителе постоянного тока, содержащем входной каскад на операционном усилителе, выходной каскад на операционном усилителе, элемент гальванической развязки между каскадами, согласно заявляемой полезной модели, операционный усилитель во входном каскаде включен по схеме с дифференциальным входом, таким образом, что инвертирующий и неивертирующий входы операционного усилителя входного каскада не соединяются с выходами источника питания входного каскада.
Техническим результатом является повышение устойчивости усилителя к синфазным помехам по входной цепи за счет введения в его схему дифференциального входа. При этом выходной сигнал усилителя пропорционален разности входных потенциалов, а не потенциалу входа относительно земли. При этом обеспечивается возможность работы такого усилителя постоянного тока совместно с устройствами, имеющими балансный выход, например, мостовыми измерительными схемами.
Сущность полезной модели поясняется рисунком, где на фиг.1 Схема электрическая принципиальная усилителя постоянного тока с гальванической развязкой с дифференциальным входом.
Рисунок содержит следующие позиции:
1 и 2 - входы усилителя постоянного тока,
3, 4 - резисторы, обеспечивающие замыкание входной цепи на землю по постоянному току,
5, 6 - резисторы цепи обратной связи;
7 - операционный усилитель
8 - плюсовой зажим питания входного каскада;
9 - минусовой зажим питания входного каскада;
10 - резистор токоограничивающий;
11 - диодная оптопара;
12 - операционный усилитель;
13 - плюсовой зажим питания выходного каскада;
14 - минусовой зажим питания выходного каскада;
15 - резистор цепи обратной связи;
16 - выход усилителя постоянного тока;
Усилитель постоянного тока включает входной каскад на операционном усилителе 7, выходной каскад на операционном усилителе 15, в качестве элемента развязки между каскадами выступает диодная оптопара 11, содержащая один светодиод и два фотодиода. Входной сигнал подается на входные зажимы 1 и 2. Входной каскад питается от источника питания, напряжение которого подается на зажимы 5 и 6. Выходной каскад питается от источника питания, напряжение которого подается на зажимы 13 и 14. Резисторы 3 и 4 обеспечивают замыкание входной цепи по постоянному току. Резисторы 5 и 6 во входном каскаде и резистор 15 в выходном каскаде образуют цепь отрицательной обратной связи. Выходной сигнал усилителя снимается с зажима 16. Ни один из входов операционного усилителя 7 не заземлен, таким образом обеспечивается его включение с дифференциальным входом. Операционные усилители 7 и 12 идентичны.
Отличием разработанной схемы от прототипа является наличие дифференциального входа. Использование дифференциального входа необходимо для работы совместно с датчиками, выходная цепь которых не заземлена. Дифференциальный вход используется для связи в схемах с соединением кабелем «витая пара». Дифференциальные вход усилителя постоянного тока обеспечивает его повышенную устойчивость к синфазным помехам по входной цепи. При этом обеспечивается возможность работы такого усилителя постоянного тока совместно с устройствами, имеющими балансный выход, например, мостовыми измерительными схемами.
Согласно принципу неответвления токов и принципу эквипотенциальности входов операционного усилителя [Титце К., Шенк У. Полупроводниковая схемотехника. Пер. с нем. под ред. д.т.н. Алексеенко А.Г. - М.: Мир, 1982 - 512 с., ил.], выходное напряжение операционного усилителя 7 и следовательно ток светодиода оптопары установится таким образом, что ток фотодиода/., включенного между входами операционного усилителя 7 будет равен:
IN+
IN-
где U, U - напряжение на зажимах усилителя 1 и 2 соответственно.
R3, R4 - сопротивление резисторов 5 и 6 на фиг.1.
PD1
out
PD2
Из (1) видим, что ток фотодиода I пропорционален дифференциальному входному напряжению. В соответствии с принципом эквипотенциальности входов операционного усилителя и неответвления токов выходное напряжение U операционного усилителя 12 установится так, что ток фотодиода I будет равен:
где R6 - сопротивление резистора 15 на фиг.1
PD1
PD1
PD2
Так как фотодиоды оптопары идентичны, то ток фотодиода I равен току фотодиода, включенного по входной цепи операционного усилителя 12 I=I. Поэтому можно приравнять выражения (1) и (2) и выразить отсюда напряжение на выходе усилителя:
Коэффициент усиления УПТ будет равен:
Таким образом, выражение (4) позволяет определить коэффициент усиления схемы УПТ.
PD1
PD2
В ходе исследований был изготовлен макет усилителя постоянного тока. Схема показала хорошее согласование экспериментальных данных с результатами расчетов. Схема работоспособна и при применении одиночных диодных оптопар отечественного производства АОД101. При этом требуется только подбор оптопар для обеспечения равенства I=I. Если использовать оптопары без предварительного отбора, то коэффициент усиления не будет соответствовать рассчитанному по выражению (4). Для достижения наилучших характеристик схемы целесообразно использовать операционный усилитель класса Rail-To-Rail, но схема работоспособна и с операционными усилителями общего применения, например LM358, LM324 и т.п.