Пристрій для передачі сигналів з гальванічною розв`язкою

Пристрій для передачі сигналів з гальванічною розв'язкою, що містить першу і другу вхідні шини, оптрон, до другого виводу світлодіодів якого підключена друга вхідна шина, перший резистор, другий резистор, перший вивід якого підключений до другого виводу першого резистора, другий вивід другого резистора з'єднаний з колектором транзистора оптрона, діод, першу і другу шини жив 3 другого резистора і з катодом діода, анод якого підключений до другого входу ключа, до другого виводу другого резистора, до емітеру транзистора і до другого виходу ключа, перший вихід якого з'єднаний з колектором транзистора. Даний пристрій для передачі керуючих сигналів з гальванічною розв'язкою так само, як і пристрій для передачі сигналів з гальванічною розв'язкою, що заявляється, містить діод і три резистори. Однак, використання трансформатора, джерела прямокутних імпульсів, випрямляча і перетворювача рівня ускладнює пристрій, збільшує його габарити і не дає можливості передавати форму сигналу. Відомий пристрій для передачі аналогових сигналів з гальванічною розв'язкою (А.с. СРСР № 752358, кл. G 06G 7/02, Н 03Н 7/38, 1980, Бюл. № 28), що містить живильне джерело напруги, опорне джерело напруги, джерело вхідної напруги, перший резистор, перший вивід якого підключений до першого виводу джерела вхідної напруги, підсилювач постійного струму, другий резистор, перший вивід якого з'єднаний із другим виводом першого резистора і з першим входом підсилювача постійного струму, третій резистор, перший вивід якого підключений до другого входу підсилювача постійного струму, четвертий резистор, перший оптрон, колектор транзистора якого з'єднаний з виводом позитивної напруги живильного джерела напруги і з виводом позитивної напруги живлення підсилювача постійного струму, вивід негативної напруги живлення якого підключений до виводу негативної напруги живильного джерела напруги і до другого виводу четвертого резистора, перший вивід якого з'єднаний із другим виводом другого резистора і з емітером транзистора першого оптрона, вивід анода світлодіода якого підключений до виходу підсилювача постійного струму, другий оптрон, вивід анода світлодіода якого з'єднаний з виводом катода світлодіода першого оптрона, п'ятий резистор, перший вивід якого підключений до виводу катода світлодіода другого оптрона, а другий - до другого виводу третього резистора і до другого виводу джерела вхідної напруги, вивід позитивної напруги опорного джерела напруги з'єднаний з виводом колектора транзистора другого оптрона, шостий резистор, перший вивід якого підключений до виводу емітера транзистора другого оптрона і до вихідної шини, а другий вивід - до виводу негативної напруги опорного джерела напруги. Даний пристрій для передачі аналогових сигналів з гальванічною розв'язкою так само, як і пристрій для передачі сигналів з гальванічною розв'язкою, що заявляється, містить оптрон і три резистори. Однак, наявність у пристрої для передачі аналогових сигналів з гальванічною розв'язкою підсилювача постійного струму, другого оптрона, джерела опорної напруги і ще трьох резисторів істотно ускладнює цей пристрій і, відповідно, знижує надійність його функціонування порівняно з пристроєм, що заявляється. Найбільш близьким по технічній сутності є ключ із гальванічною розв'язкою (А.с. СРСР № 1056459, кл. Н 03К 17/56, Н 03К 17/14. 1983, Бюл. 52128 4 № 43), що містить оптрон, до першого і другого виводів світлодіода якого підключені перша і друга вхідні шини відповідно, перший резистор, перший вивід якого з'єднаний з колектором транзистора оптрона, перший, другий і третій транзистори, другий резистор, перший вивід якого підключений до другого виводу першого резистора і до першої шини джерела живлення, діод, анод якого з'єднаний з емітером другого транзистора, база якого підключена до бази першого транзистора, колектор якого з'єднано з емітером транзистора оптрона і з базою третього транзистора, емітер якого підключений до емітеру першого транзистора, до катода діода і до другої шини джерела живлення, вихідну шину, що з'єднана з колекторами другого і третього транзисторів і із другим виводом другого резистора. Даний ключ із гальванічною розв'язкою так само, як і пристрій для передачі сигналів з гальванічною розв'язкою, що заявляється, містить оптрон, два резистори і діод. Однак, відсутність третього резистора і підключення діоду, що пропоноване, звужує діапазон сигналів, що передаються. В основу корисної моделі поставлене завдання вдосконалення пристрою для передачі сигналів з гальванічною розв'язкою шляхом розширення діапазону сигналів, що передаються. Поставлене завдання вирішується тим, що у відомий пристрій для передачі сигналів з гальванічною розв'язкою, що містить першу і другу вхідні шини, оптрон, до другого виводу світлодіодів якого підключена друга вхідна шина, перший резистор, другий резистор, перший вивід якого підключений до другого виводу першого резистора, другий вивід другого резистора з'єднаний з колектором транзистора оптрона, діод, першу і другу шини живлення і вихідну шину, згідно з корисною моделлю в нього уведений третій резистор, перший вивід діода з'єднаний з першим виводом першого резистора і з першою шиною живлення, другий вивід діода підключений до другого виводу першого резистора, вихідна шина з'єднана із другим виводом другого резистора, друга шина живлення підключена до виводу емітера транзистора оптрона, перша вхідна шина з'єднана через третій резистор з першим виводом світлодіодів оптрона, при цьому оптрон містіть два світлодіода, анод першого з яких з'єднаний з катодом другого і з першим виводом світлодіодів оптрона, а катод першого світлодіода з'єднаний з анодом другого і з другим виводом світлодіодів оптрона. Введення третього резистора в ланцюг подачі вхідного сигналу на світлодіоди оптрона дозволяє погодити рівень вхідного сигналу із вхідним робочим діапазоном по струму оптрона і домогтися мінімального споживання струму вхідного сигналу. Підключення діоду паралельно першому резистору, дозволяє збільшити діапазон вхідних сигналів, що передаються, на 5-10 % убік менших значень по напрузі порівняно із відомим пристроєм. Використання оптрона із двома зустрічно включеними світлодіодами, дозволяє використати пристрій для передачі двохполярних сигналів, що 5 передаються по одній лінії зв'язку і за рахунок цього також збільшити діапазон сигналів, що передаються. На кресленнях наведені: фіг. 1 - схема пропонованого пристрою для передачі сигналів з гальванічною розв'язкою; фіг. 2 - приклад вхідних сигналів, що передаються; фіг. 3 - вольтамперна характеристика діода (приклад); фіг 4 - робоча характеристика пристрою Uвих=F(Uвx) (приклад). Пристрій для передачі сигналів з гальванічною розв'язкою (фіг. 1) містить третій резистор 1, оптрон 2, до першого виводу світлодіодів якого підключений другий вивід резистора 1, перший резистор 3, діод 4, другий резистор 5, перший вивід якого з'єднаний із другими виводами резистора 3 і діоди 4, першу шину живлення 6-1, що підключена до перших виводів резистора 3 і діода 4, другу шину живлення 6-2, що з'єднана з виводом емітера транзистора оптрона 2, першу вхідну шину 7-1, що підключена до першого виводу третього резистора 1, другу вхідну шину 7-2, що з'єднана із другим виводом світлодіодів оптрона 2, вихідну шину 8, що з'єднана із другим виводом резистора 5 і з виводом колектора транзистора оптрона 2. Паралельно включені резистор 3 і діод 4 утворюють коригувальний ланцюжок. Оптрон 2 містить світлодіод 9 і світлодіод 10, катод якого з'єднаний з анодом світлодіода 9 і з першим виводом світлодіодів оптрона 2, другий вивід світлодіодів якого підключений до катода світлодіода 9 і до анода світлодіода 10 і транзистор 11. У випадку, якщо використається оптрон з n-p-n транзистором, те перша шина живлення 6-1 є позитивним полюсом, а друга шина 6-2 є негативним полюсом джерела живлення, при цьому перший вивід діода 4 є його анодом, а другий вивід діода 4 є його катодом. У випадку якщо використається оптрон з p-n-р транзистором, те перша шина живлення 6-1 є негативним полюсом, а друга шина живлення 6-2 є позитивним полюсом джерела живлення, при цьому перший вивід діода 4 є його катодом, а другий вивід діода 4 є його анодом. Попередньо визначають діапазон зміни амплітуди вхідного сигналу і, виходячи з паспортних даних використовуваних оптронів, розраховують величину третього резистора 1. Вхідні сигнали, що передаються, можуть мати будь-яку форму і бути і одно і двохполярними, на фіг. 2а наведений приклад форми вхідного сигналу, що передається, на фіг. 2б наведена форма сигналу, для якого описана робота пристрою. Пропонований пристрій для передачі сигналів з гальванічною розв'язкою працює в такий спосіб. Роботу пристрою розглянемо для випадку, коли перша шина 6-1 є позитивним полюсом джерела живлення, а друга шина 6-2 є негативним полюсом джерела живлення й, відповідно, перший вивід діода 4 є його анодом, а другий вивід діода 4 є його катодом. Робота пристрою для передачі сигналів з гальванічною розв'язкою ілюструється вольтампер 52128 6 ною характеристикою діода (фіг. 3) і робочою характеристикою пристрою Uвиx=F(Uвx) (фіг. 4). При відсутності сигналу на вході пристрою вхідних шинах 7-1 і 7-2 через світлодіоди оптрона 2 не протікає струм, закриті транзистор 11 оптрона 2 і діод 4, опір R4 якого в багато разів більше опору R3 резистора 3, тому їхній загальний опір - опір коригувального ланцюжка приблизно дорівнює опору резистора 3. Опір транзистора 11 Rтp оптрона 2 у закритому стані в багато разів перевершує сумарний опір резистора 5 і коригувального ланцюжка, тому на вихідній шині 8 є сигнал Uвиxмакс, за рівнем близький до напруги живлення. З появою на вхідних шинах 7-1 і 7-2 сигналу позитивної полярності і його наростанні за рівнем через світлодіод 9 оптрона 2 починає протікати струм, але його величина мала і інтенсивність випромінювання світлодіода 9 близька до нуля, тому транзистор 11 оптрона 2 залишається закритим. Сигнал на вихідній шині 8 залишається рівним Uвиxмакс. У момент досягнення рівнем вхідного сигналу величини, при якій напруга на світлодіоді 9 досягне величини Uпop 9, останній відкривається, зростає струм через нього і інтенсивність його випромінювання, опір транзистора 11 оптрона 2 трохи зменшується, у ланцюзі між шинами 6-1 і 6-2 джерела живлення з'являється початковий струм, що малий по величині. Робота пристрою з моменту появи вхідного сигналу на шинах 7-1 і 7-2 і до моменту досягнення напругою на світлодіоді 9 величини Uпop 9 ілюструється ділянкою 1 робочої характеристики на фіг. 4. Внаслідок протікання початкового струму через діод 4 на ньому з'являється напруга відповідно до його вольтамперної характеристики (фіг. 3, ділянка 1), небагато зменшується його опір і, відповідно, опір коригувального ланцюжка. При подальшому збільшенні рівня вхідного сигналу наростає струм через світлодіод 9 оптрона 2 і інтенсивність його випромінювання, зменшується опір Rтp транзистора 11 оптрона 2, і збільшується струм І у ланцюзі між шинами 6-1 і 6-2 джерела живлення, що визначається по формулі U R3 R 4 I R3R 4 R5 R тр R3 R 4 , де U – нaпругa джерела живлення із шинами 6-1 і 6-2, R5 - опір резистора 5. Одночасно, внаслідок появи і збільшення струму І у ланцюзі між шинами 6-1 і 6-2 живлення збільшується напруга на діоді 4 відповідно до його вольтамперній характеристики (фіг. 3, ділянка 1) і зменшується його опір, відповідно, зменшується опір коригувального ланцюжка, крім того, на вихідній шині 8 пристрою починає зменшуватися вихідний сигнал Uвиx, що визначається по формулі Uвиx=I·Rтp. При величині напруги на коригувальному ланцюжку, рівної Uпop 4 (напруга вхідного сигналу при цьому буде дорівнювати Uвx пop, воно показано на робочій характеристиці на фіг. 4), діод 4 відкриється. Таким чином, з появою і наростанням за рівнем вхідного сигналу на шинах 7-1 і 7-2 з моменту виникнення струму І по ланцюзі від шини 6-1 до шини 6-2 живлення і до моменту досягнення напругою на діоді 4 величини Uпop 4 наростання струму І, зменшення вихідного сигналу Uвиx на вихідній шині 8 і крутість робочої 7 характеристики Uвиx=F(Uвx) (фіг. 4) визначаються зменшенням двох опорів - опору Rтp транзистора 11 оптрона 2 внаслідок зростання величини вхідного сигналу і опору коригувального ланцюжка паралельно включених резистора 3 і діода 4 внаслідок зменшення опору R4 діода 4 при зростанні струму через нього. Робота пристрою з моменту досягнення напругою на світлодіоді 9 величини Uпop 9 і до моменту досягнення напругою на діоді 4 величини Uпop 4 ілюструється ділянкою 2 робочої характеристики на фіг. 4. При зростанні рівня вхідного сигналу на шинах 7-1 і 7-2 вище Uвx пop збільшується струм через світлодіод 9 оптрона 2, при цьому зменшується опір транзистора 11 оптрона 2, відповідно зростає струм І по ланцюзі від шини 6-1 до шини 6-2 живлення і збільшується напруга на діоді 4, але його опір буде майже постійний (відповідно до його вольтамперній характеристики - фіг. 3, ділянка 2). Тому наростання струму І по ланцюзі від шини 6-1 до шини 6-2 живлення, зменшення вихідного сигналу ивих на вихідній шині 8 і крутість робочої характеристики Uвиx=F(Uвx) (фіг. 4) визначаються тільки зменшенням опору транзистора Rтp оптрона 2 внаслідок зростання рівня вхідного сигналу. Таким чином, при зростанні рівня вхідного сигналу на шинах 7-1 і 7-2 у момент переходу величиною напруги на діоді 4 величини Uпoр 4 міняється крутість робочої характеристики Uвиx=F(Uвx) (фіг. 4). При максимальному рівні вхідного сигналу на шинах 7-1 і 7-2 рівень сигналу на вихідній шині 8 досягає свого мінімального знамин чення Uвиx , що визначається конкретними параметрами елементів пристрою і вхідного сигналу. Робота пристрою з моменту досягнення напругою на діоді 4 величини Uпop 4 і до моменту досягнення вхідним сигналом на шинах 7-1 і 7-2 максимального значення ілюструється ділянкою З робочі характеристики на фіг. 4. При зменшенні, після досягнення максимального значення, рівня вхідного сигналу на шинах 71 і 7-2 струм через світлодіод 9 оптрона 2 і інтенсивність його випромінювання зменшуються, при цьому збільшується опір Rтp транзистора 11 оптрона 2 і зменшується струм І у ланцюзі між шинами живлення 6-1 і 6-2, зменшується напруга на коригувальному ланцюжку і, відповідно, на діоді 4, але його опір R4 буде майже постійний (відповідно до його вольтамперній характеристики - фіг. 3, ділянка 2). Одночасно збільшується рівень сигналу Uвиx на вихідній шині 8. Тому при зменшенні рівня вхідного сигналу на шинах 7-1 і 7-2 зменшення струму І по ланцюзі від шини 6-1 до шини 6-2 джерела живлення, збільшення вихідного сигналу Uвиx на вихідній шині 8 і крутість робочої характеристики Uвиx=F(Uвx) визначаються тільки збільшенням опору Rтp транзистора 11 оптрона 2 внаслідок зменшення рівня вхідного сигналу. Робота пристрою з моменту початку зменшення вхідного сигналу на шинах 7-1 і 7-2 і до моменту досягнення напругою на діоді 4 величини Uпop 4 ілюструється ділянкою 3 робочі характеристики на фіг. 4. У момент, коли при подальшому зменшенні рівня вхідного сигналу на шинах 7-1 і 7-2 вхідна напруга стане менше значення Uвx пop (фіг. 4), а напруга на коригувальному ланцюжку і, відповідно, на діоді 4 52128 8 стане менше значення Uпop 4, опір діода 4 почне збільшуватися (відповідно до його вольтамперній характеристики - фіг. 3, ділянка 1) і також почне збільшуватися опір коригувального ланцюжка паралельно включених резистора 3 і діоди 4. Тому при зменшенні за рівнем вхідного сигналу на шинах 7-1 і 7-2 нижче значення Uпор вx зменшення струму І по ланцюзі від шини 6-1 до шини 6-2 джерела живлення, збільшення вихідного сигналу Uвиx на вихідній шині 8 і крутість робочої характеристики Uвиx=F(Uвx) визначаються збільшенням двох опорів - опору Rтp транзистора 11 оптрона 2 внаслідок зменшення величини вхідного сигналу і опору коригувального ланцюжка - паралельно включених резистора 3 і діоди 4 внаслідок збільшення опору R4 діоди 4 при зменшенні струму через нього. Таким чином, і в цьому випадку в момент переходу величиною напруги на діоді 4 величини Uпoр 4 міняється крутість робочої характеристики Uвиx=F(Uвx) (фіг. 4). При зникненні (закінченні) сигналу на вхідних шинах 7-1 і 7-2 рівень сигналу на вихідній шині 8 досягає величини Uвиxмакс. Робота пристрою з моменту досягнення напругою на діоді 4 величини Uпop 4 і до моменту зникненні (закінченні) сигналу на вхідних шинах 71 і 7-2 ілюструється ділянками 2 і 1 робочої характеристики на фіг. 4. З появою на вхідних шинах 7-1 і 7-2 сигналу негативної полярності і його наростанні за рівнем струм починає протікати через світлодіод 10 оптрона 2, а робота пристрою аналогічна його роботі, описаної при надходженні на вхід позитивного сигналу. Для пояснення технічного ефекту, одержуваного від підключення діода 4, розглянемо роботу спрощеного пристрою, у якому, замість коригувального ланцюжка, у ланцюзі колектора транзистора 11 оптрона 2 установлений тільки резистор 5, опір якого дорівнює сумарному опору резистора 5 пристрою, що заявляється, і коригувального ланцюжка при відкритому діоді 4, опис роботи спрощеного пристрою виконаємо за схемою пристрою, що заявляє, тільки без урахування резистора 3 і діоди 4. При відсутності сигналу на вході пристрою вхідних шинах 7-1 і 7-2 через світлодіоди оптрона 2 не протікає струм і закритий транзистор 11 оптрона 2. Опір Rтp транзистора 11 оптрона 2 у закритому стані в багато разів перевершує опір резистора 5, тому на вихідній шині 8 є сигнал Uвихмакс, за рівнем близький до напруги живлення. З появою на вхідних шинах 7-1 і 7-2 сигналу позитивної полярності і його наростанні за рівнем через світлодіод 9 оптрона 2 починає протікати струм, але його величина мала і інтенсивність випромінювання світлодіода 9 близька до нуля, тому транзистор 11 оптрона 2 залишається закритим. Сигнал на вихідній шині 8 залишається рівним Uвихмакс. У момент досягнення рівнем вхідного сигналу величини, при якій напруга на світлодіоді 9 досягне величини Uпop 9, останній відкривається, зростає струм через нього і інтенсивність його випромінювання, опір транзистора 11 оптрона 2 трохи зменшується, у ланцюзі між шинами 6-1 і 6-2 джерела живлення з'являється початковий струм, що малий по вели 9 чині. Робота пристрою з моменту появи вхідного сигналу на шинах 7-1 і 7-2 і до моменту досягнення напругою на світлодіоді 9 величини Uпop 9 ілюструється ділянкою 1 робочої характеристики на фіг. 4. При подальшому збільшенні рівня вхідного сигналу наростає струм через світлодіод 9 оптрона 2 і інтенсивність його випромінювання, опір Rтp транзистора 11 оптрона 2 зменшується, але струм І у ланцюзі між шинами 6-1 і 6-2 джерела живлення збільшується незначно доти, поки вхідний сигнал на шинах 7-1 і 7-2 не досягне величини - Uпop 11, при цьому інтенсивність випромінювання світлодіода 9 також досягне граничної величини і далі при зростанні вхідного сигналу опір транзистора 11 буде збільшуватися практично лінійно. Робота пристрою з моменту досягнення напругою на світлодіоді 9 величини Uпор 9 і до моменту досягнення напругою вхідного сигналу на шинах 7-1 і 7-2 величини Uпop 11 ілюструється ділянкою 4 робочої характеристики на фіг. 4 (показана пунктиром). Струм І у ланцюзі між шинами 6-1 і 6-2 джерела живлення визначається по формулі U I R5 R тр , де U - напруга джерела живлення із шинами 6-1 і 6-2, R5 – опір резистора 5, вихідний сигнал Uвиx на вихідній шині 8 пристрою починає зменшуватися і визначається по формулі Uвиx=I·Rтp. Таким чином, з появою і наростанням за рівнем вхідного сигналу на шинах 7-1 і 7-2 наростання струму І по ланцюзі від шини 6-1 до шини 6-2 джерела живлення, зменшення вихідного сигналу Uвиx на вихідній шині 8 і крутість робочої характеристики Uвиx=F(Uвx) (Фіг. 4) визначаються зменшенням тільки опору Rтр транзистора 11 оптрона 2 внаслідок зростання величини вхідного сигналу. Робота пристрою 3 моменту досягнення напругою вхідного сигналу на шинах 7-1 і 7-2 величини Uпop 11 і до 52128 10 моменту досягнення напругою вхідного сигналу на шинах 7-1 і 7-2 величини Uвx пор ілюструється ділянкою 5 робочої характеристики на фіг. 4 (показана пунктиром), а при збільшенні вхідного сигналу від Uвx пор до максимального значення - ділянкою 3 робочої характеристики на фіг. 4. Таким чином, у спрощеному пристрої передача вхідного сигналу починається після досягнення вхідним сигналом рівня напруги, рівного сумі напруги порога спрацьовування світлодіода 9 (10) і напруги порога спрацьовування транзистора 11 оптрона 2 (напруги, що забезпечує граничну інтенсивність випромінювання для спрацьовування транзистора 11 оптрона 2), а в заявленому пристрої передача вхідного сигналу починається практично після досягнення вхідним сигналом рівня напруги, рівного напрузі порога спрацьовування світлодіода 9 (10), тому що з появою початкового струму через перехід колектор-емітер транзистора 11 оптрона 2 (по ланцюзі від шини 6-1 до шини 6-2 живлення) з'являється напруга на коригувальному ланцюжку, внаслідок чого зменшується опір діода 4 і коригувальній ланцюжки, що у свою чергу збільшує струм через перехід колектор-емітер транзистора 11 оптрона 2 і так далі, тобто гранична напруга спрацьовування транзистора 11 оптрона 2 зменшується в багато разів і відповідно знижується гранична напруга спрацьовування всього пристрою і передача вхідного сигналу починається після досягнення вхідним сигналом рівня напруги, що незначно перевищує напругу порога спрацьовування світлодіода 9 (10), істотно меншому напруги, рівної сумі напруги порога спрацьовування світлодіода 9 (10) і напруги порога спрацьовування транзистора 11 оптрона 2. то розширює діапазон переданих вхідних сигналів на 5-10 % убік менших значень по напрузі. 11 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 52128 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601