УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ЧЕРЕЗ БАРЬЕР ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКИ
APPARATUS FOR TRANSMITTING INFORMATION THROUGH A GALVANIC ISOLATION BARRIER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к информационной и силовой преобразовательной технике.
Существуют 4 основных способа создания барьера гальванической развязки между источником информации и объектом управления - магнитный, емкостной, световой и с помощью радиоканала.
Для передачи информации через барьер гальванической развязки (БГР) обычно используют два канала - информационный и энергетический [1]. Энергетический канал обеспечивает передачу необходимой энергии от «приемника» информации через БГР «передатчику» - схеме обработки и передачи информации, которая, используя полученную энергию, передает информацию через точно такой же БГР «приемнику». При практической реализации данного принципа используют специализированные микросхемы [2, 3, 4].
Недостатком классического принципа передачи информации является высокая стоимость реализации, сложность передачи информации через барьер гальванической развязки превышающий 5000 вольт и относительно высокие энергозатраты на передачу небольших объемов информации.
Известно дешевое, простое и малопотребляющее устройство (прототип), позволяющее передавать информацию и энергию всего через один трансформатор [5]. Как показала практика, оно имеет следующие недостатки.
1. Нелинейность и низкая точность передачи аналогового сигнала
2. Низкая помехозащищенность при передаче как аналогового, так цифрового сигнала.
3. Низкая скорость передачи как аналогового, так и цифрового сигнала.
4. Высокие энергозатраты при передаче как аналогового, так и цифрового сигнала.
Цель изобретения - снижение энергозатрат, повышение линейности и точности передачи аналогового сигнала, а также уменьшение влияния помех и увеличение скорости передачи аналогового и цифрового сигнала при перемещении информации через барьер гальванической развязки.
Указанная цель достигается тем, что:
1. Устройство передачи информации через барьер гальванической развязки, для передачи аналогового сигнала, включает в себя генератор коротких импульсов напряжения, связанный со схемой, содержащей первичную обмотку трансформатора, информацию о токе, через которую поступает на амплитудный детектор, при этом вторичная обмотка трансформатора связана с сопротивлением, величина которого зависит от исходной информации.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что генератор коротких импульсов напряжения через резистор подключен к первичной обмотке трансформатора, с которой связан амплитудный детектор, определяющий амплитуду всплеска обратного напряжения на первичной обмотке трансформатора после окончания короткого импульса, вызванного энергией, запасенной в индуктивности рассеяния трансформатора во время прохождения короткого импульса, а вторичная обмотка трансформатора связана с сопротивлением, величина которого зависит от исходной информации.
3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что на выходе амплитудного детектора установлено устройство компенсации нелинейности и повышения точности передачи аналоговой информации.
4. Устройство по п. 1, для передачи цифрового сигнала, содержит генератор коротких импульсов напряжения, связанный со схемой, содержащей первичную обмотку трансформатора, информация об амплитуде тока через которую поступает на узел обработки сигнала, а вторичная обмотка трансформатора связана с коммутатором, сопротивление которого меняется в соответствии с исходной цифровой информацией.
На Фиг. 1 показана упрощенная структурная схема устройства передачи информации через барьер гальванической развязки, для передачи аналогового сигнала, включающего в себя генератор коротких импульсов напряжения 1.1, связанный со схемой, содержащей первичную обмотку трансформатора 1.2, информация о токе через которую поступает на амплитудный детектор 1.3, при этом вторичная обмотка трансформатора 1.4 связана с сопротивлением 1.5, величина которого зависит от исходной информации.
На Фиг. 2 показана упрощенная структурная схема устройства передачи аналоговой информации через барьер гальванической развязки. Генератор коротких импульсов напряжения 2.1 через резистор 2.3 подключен к первичной обмотке трансформатора 2.2, с которой связан амплитудный детектор 2.4, определяющий амплитуду всплеска обратного напряжения на первичной обмотке трансформатора 2.2 после окончания короткого импульса, вызванного энергией, запасенной в индуктивности рассеяния трансформатора во время прохождения короткого импульса, а вторичная обмотка трансформатора 2.5 связана с сопротивлением 2.6, величина которого зависит от исходной информации.
На Фиг. 3 показана упрощенная структурная схема устройства передачи информации в цифровом виде через барьер гальванической развязки. Устройство содержит генератор коротких импульсов напряжения 3.1, связанный со схемой, содержащей первичную обмотку трансформатора 3.2, информация об амплитуде тока через которую поступает на узел обработки сигнала 3.3, а вторичная обмотка трансформатора 3.4 связана с коммутатором 3.5, сопротивление которого меняется в соответствии с исходной цифровой информацией.
Работают устройства передачи информации через барьер гальванической развязки следующим образом.
Устройство по п. 1. Упрощенная структурная схема устройства показана на Фиг. 1. Короткий импульс напряжения с генератора 1.1, приложенный к обмотке 1.2, вызывает протекание тока по сопротивлению 1.5, связанному со вторичной обмоткой 1.4 трансформатора. Амплитудный детектор 1.3 фиксирует максимальную амплитуду импульса тока через первичную обмотку 1.2 трансформатора во время прохождения короткого импульса напряжения с генератора 1.1. Максимальная амплитуда тока через первичную обмотку 1.2 зависит от величины сопротивления 1.5. Чем меньше сопротивление 1.5, тем большего значения достигает ток по первичной обмотке 1.2 за время прохождения короткого импульса. Таким образом информация о величине сопротивления 1.5 передается через барьер гальванической развязки. Данное устройство можно использовать для передачи информации об угле поворота переменного резистора, величины температуры с датчика температуры, звукового сигнала с угольного микрофона и от других первичных источников аналоговой информации.
Устройство по п. 2. Упрощенная структурная схема устройства показана на Фиг. 2. Короткий импульс напряжения с генератора 2.1, через резистор 2.3 поступает на первичную обмотку 2.2 трансформатора. При этом, чем меньше сопротивление 2.6, связанное со вторичной обмоткой 2.5 трансформатора, тем большего значения достигает ток по первичной обмотке 2.2 трансформатора за время действия короткого импульса и тем больше энергии запасается в индуктивности рассеяния трансформатора. Чем больше энергии запасено в индуктивности рассеяния трансформатора, тем большей амплитуды будет всплеск обратного напряжения на первичной обмотке 2.2 трансформатора, связанной с амплитудным детектором 2.4. Чем меньше сопротивление 2.6, тем выше амплитуда всплеска обратного напряжения на первичной обмотке трансформатора после окончания короткого импульса и больше выходное напряжение амплитудного детектора 2.4. Таким образом информация о величине сопротивления 1.5 передается через барьер гальванической развязки. Данное устройство можно использовать для передачи информации об угле поворота переменного резистора, величины температуры с датчика температуры, звукового сигнала с угольного микрофона и от других первичных источников аналоговой информации.
Устройство по п. 3. Недостатком устройств по п. 1 и п. 2 является нелинейность и низкая точность передачи аналоговой информации. Для устранения этого недостатка на выходе амплитудного детектора устанавливается устройство компенсации нелинейности и повышения точности передачи аналоговой информации, обеспечивающее выравнивание передаточной характеристики и повышающее точность соответствия первичной информации выходному напряжению.
Устройство по п. 4. Упрощенная структурная схема устройства для передачи цифрового сигнала показана на Фиг. 3. Короткие импульсы напряжения с генератора 3.1 поступают на первичную обмотку 3.2 трансформатора. При этом напряжение со вторичной обмотки 3.4 используется для питания энергией коммутатора 3.5 и источника первичной информации. Например, датчика температуры с цифровым выходом. Коммутатор подключает сопротивление нагрузки ко вторичной обмотке 3.4 трансформатора, увеличивая максимальное значение тока по первичной обмотке 3.2 трансформатора. Устройство обработки сигнала 3.3 сравнивает значение тока по вторичной обмотке 3.2 трансформатора с опорным напряжением, которое выставляется так, чтобы при подключении коммутатором 3.5 сопротивления нагрузки появлялся логический ноль, а при отключении коммутатором сопротивления нагрузки логическая единица. При каждом коротком импульсе в устройстве обработки сигнала 3.3 формируется логический ноль или единица, соответствующая подключенному или отключенному коммутатором 3.5 состоянию сопротивления нагрузки. В простейшем случае короткие импульсы генератора однополярные, в более сложном случае полярность коротких импульсов чередуется. Работа коммутатора синхронизирована с короткими импульсами и устройством обработки сигнала, в результате чего каждому логическому нулю или единице с первичного источника информации на входе коммутатора соответствует ноль или единица внутри устройства обработки сигнала, на выходе которого формируется цифровой код. Таким образом информация от первичного источника цифровой информации перемещается через барьер гальванической развязки.
Устройство по п. 1. Принципиальное преимущество предлагаемого устройства по сравнению с прототипом заключается в том, что информация передается не амплитудой напряжения, а амплитудой тока. Поэтому влияние индуктивности рассеяния трансформатора сведено практически к нулю, так как из полезного сигнала с «идеального трансформатора» влияние индуктивности рассеяния трансформатора вычитается. При этом амплитудный детектор определяет амплитуду полезного сигнала без паразитных составляющих, так как он фиксирует именно максимальную амплитуду тока, а все, что находится ниже этого уровня на него не влияет. Кроме того, увеличивается относительная величина полезного сигнала на входе амплитудного детектора, что позволяет уменьшить параметры фильтра, и тем самым увеличить скорость передачи информации.
Устройство по п. 2. За счет того, что импульс с генератора может быть очень коротким, а скважность большой, энергетические затраты на передачу информации через устройство гальванической развязки получаются чрезвычайно маленькими. Данное обстоятельство в совокупности с простотой, малым количеством витков трансформатора и низкой стоимостью, делают данное устройство наиболее предпочтительным в ряде практических случаев.
Устройство по п. 3. Небольшое усложнение устройств по п. 1 и п. 2 позволяет кардинально повысить точность и линейность передачи информации.
Устройство по п. 4. Данное устройство совмещает в себе цифровую точность, возможность передачи информации через барьер гальванической развязки в десятки тысяч вольт, простоту технической реализации, низкую стоимость и маленькое потребление энергии. Причем, аналогичные характеристики и надежность аналогов хуже в разы.
Источники информации
1. http://lpadevice.ru/products/galvanical/
2. https://efo.ru/products/integralnie-mikroshemi/mikroshemi-dlya-razvyazki.html
3. https://ryazan.terraelectronica.ru/news/5738
4. data sheet UCC12050.
5. Патент РФ №2420852.