專利名稱：無源電磁隔離信號變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于4～20mA標準電流信號隔離變換傳輸?shù)臒o源電磁隔離信號變換器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有無源電磁隔離信號變換器包括推挽驅(qū)動電路、耦合變壓器、整流濾波電路和信號處理電路，4到20mA的恒流源信號從電流輸入端輸入；流入的電流信號能量使推挽驅(qū)動電路起振并使推挽驅(qū)動電路工作，對電流信號進行斬波調(diào)制；電流信號能量通過變壓器耦合到變壓器的次級，再由連接在次級的整流濾波電路及信號變換處理電路處理后從電流輸出端輸出。這種無源電磁隔離信號變換方式存在以下缺陷(1)因為整流濾波沒有電源供電，無法實現(xiàn)后級信號的有源處理，當信號的負載變化時，輸出信號幅度跟著變化，做不到真正的恒流源信號輸出；(2)因為推挽驅(qū)動電路的正常工作分流一部分電流，并且分流掉的信號無法在后級得到補償，因此非線性化嚴重，精度無法保證，通常只能達到0.2級精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無源電磁隔離信號變換器，使輸出信號達到高標準的精度，大大提高了無源電磁隔離信號變換器的性能。
上述目的可通過以下的技術(shù)措施來實現(xiàn)一種無源電磁隔離信號變換器包括推挽驅(qū)動電路、耦合變壓器、整流濾波電路和信號變換處理電路，其特征在于還包括能量獲取電路和啟動電路，啟動電路并聯(lián)于推挽驅(qū)動電路的輸入端，輸入電流信號的正端接入能量獲取電路的正輸入端，輸入電流信號的負端接入啟動電路和推挽驅(qū)動電路的負端；能量獲取電路的輸出端接入信號處理電路的電源供電端，在能量獲取電路的內(nèi)部變壓器設(shè)有用于提供推挽驅(qū)動信號和同步整流信號的兩個繞組，兩繞組輸出相位相反的方波，并相應(yīng)的接入推挽驅(qū)動電路和同步整流電路的信號驅(qū)動端。
所述能量獲取電路包括三極管TS1、TS2、變壓器T2、整流塊D1、電阻R2和電容C2，電阻R2和電容C2相串聯(lián)后連接在能量獲取電路輸入端之間，三極管TS1、TS2的發(fā)射極相連并接入電路負輸入端，三極管TS1、TS2的集電極各自連接變壓器T2初級耦合繞組的一個端頭，三極管TS1、TS2的基極各自連接變壓器T2初級反饋繞組的一個端頭，初級耦合繞組的中間抽頭連接電路的正輸入端，初級反饋繞組的中間抽頭連接電阻R2和電容C2的串聯(lián)點；變壓器T2的次級繞組端頭連接整流塊D1。
所述能量獲取電路包括三極管TS1、TS2、變壓器T2、變壓器T3、整流塊D1、電阻R2和電容C2，電阻R2和電容C2相串聯(lián)后連接在能量獲取電路輸入端之間，三極管TS1、TS2的發(fā)射極相連并接入電路負輸入端，三極管TS1、TS2的集電極各自連接變壓器T2初級耦合繞組的一個端頭，同時三極管TS1、TS2的集電極也各自連接變壓器T3上的初級耦合繞組的一個反相端頭，三極管TS1、TS2的基極各自連接變壓器T3上的初級反饋繞組的一個端頭，變壓器T2上初級耦合繞組的中間抽頭連接電路的正輸入端，變壓器T3上初級反饋繞組的中間抽頭連接電阻R2和電容C2的串聯(lián)點；變壓器T2的次級繞組端頭連接整流塊D1。
所述的啟動電路為電容、電阻或由電容、電阻的并聯(lián)而成。
為了能使能量獲取電路工作穩(wěn)定，在能量獲取電路的輸入端之間并聯(lián)穩(wěn)壓電路。所述穩(wěn)壓電路為穩(wěn)壓二極管、分壓電阻或分壓電容。
本發(fā)明還可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種無源電磁隔離信號變換器包括線性光耦、整流濾波電路和信號變換處理電路，其特征在于還包括能量獲取電路、穩(wěn)壓電路和信號采樣放大電路，輸入電流信號的正端接入能量獲取電路的正輸入端，輸入電流信號的負端接入信號采樣放大電路；穩(wěn)壓電路連接在能量獲取電路的正負輸入端之間，穩(wěn)壓電路形成的電壓接入信號采樣及放大電路和線性光耦的電源端，信號采樣放大電路的輸出連接線性光耦的輸入驅(qū)動線性光耦，能量獲取電路的輸出端接入信號處理電路的電源供電端，線性光耦的輸出接入信號變換處理電路。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(1)通過連接能量獲取電路，可從電流信號輸入環(huán)路獲取能量供給同步整流電路和信號變換處理這些次級處理電路，解決了傳統(tǒng)無源電磁隔離的信號變換器的信號傳輸次級供電問題；使無源信號變換器輸出信號達到高標準的精度、線性度和溫度漂移；大大提高了無源電磁隔離信號變換器的性能。
(2)在能量獲取電路的內(nèi)部變壓器增加線圈繞阻，為推挽驅(qū)動電路和同步整流電路提供驅(qū)動信號，使得只需增加簡單的線圈繞阻解決了電流的斬波調(diào)制頻率信號問題。同時可將調(diào)制頻率提高到一個高的標準，大大提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
(3)在推挽驅(qū)動電路的輸入端連接啟動電路，使得推挽驅(qū)動電路正常工作前能量獲取電路輸入端構(gòu)成回路。同時在推挽驅(qū)動電路正常工作后啟動電路端電壓自動降到接近零伏，使啟動電路只造成極小的分流，不會影響系統(tǒng)精度。


圖1為本發(fā)明具體實施例一的原理框圖；圖2為圖1所示具體實施例的電路原理圖；圖3為本發(fā)明具體實施例二的原理框圖；圖4為圖3所示具體實施例的電路原理圖；圖5為本發(fā)明中能量獲取電路的又一實施方式電路原理圖。
具體實施例方式
如圖1、圖2所示，本實施例一包括推挽驅(qū)動電路、耦合變壓器T1、整流濾波電路和信號變換處理電路、能量獲取電路和啟動電路，啟動電路由電容C1、電阻R1的并聯(lián)而成，啟動電路并聯(lián)于推挽驅(qū)動電路的輸入端，輸入電流信號的正端接入能量獲取電路的正輸入端，為了能使能量獲取電路工作穩(wěn)定，在能量獲取電路的輸入端之間并聯(lián)穩(wěn)壓二極管VZ，穩(wěn)壓二極管Vz的陽極接啟動電路，陰極接輸入電流信號的正端。輸入電流信號的負端接入啟動電路和推挽驅(qū)動電路的負端。能量獲取電路的輸出端接入信號處理電路的電源供電端，在能量獲取電路的內(nèi)部變壓器設(shè)有用于提供推挽驅(qū)動信號和同步整流信號的兩個繞組，兩繞組輸出相位相反的方波，并相應(yīng)的接入推挽驅(qū)動電路和同步整流電路的信號驅(qū)動端。
能量獲取電路包括三極管TS1、TS2、變壓器T2、整流塊D1、電阻R2和電容C2，電阻R2和電容C2相串聯(lián)后連接在能量獲取電路輸入端之間，三極管TS1、TS2的發(fā)射極相連并接入電路負輸入端，三極管TS1、TS2的集電極各自連接變壓器T2初級耦合繞組的一個端頭，三極管TS1、TS2的基極各自連接變壓器T2初級反饋繞組的一個端頭，初級耦合繞組的中間抽頭連接電路的正輸入端，初級反饋繞組的中間抽頭連接電阻R2和電容C2的串聯(lián)點；變壓器T2的次級繞組端頭連接整流塊D1。上電瞬間三極管TS1或者TS2其中一個先導通，引起變壓器T2磁通變化，此時反饋繞組13、14、15加強三極管的導通電流。導通的三極管的集電極極電流增加。當導通的三極管的電流達到飽和后，變壓器T2的磁通不再增加，引起反饋繞組電壓反相變化，將導通三極管關(guān)斷并開通原來沒導通的三極管，引起振蕩。電流以振蕩頻率流經(jīng)變壓器T2中的1、2、3腳構(gòu)成的初級耦合繞組，將能量耦合到變壓器T2中的4、5、6腳構(gòu)成的次級，再經(jīng)整流塊D1整流電容C3濾波后輸出。
4到20mA的恒流源信號從Iin+端輸入的電流信號在接入瞬間從Iin的+端流入，流經(jīng)穩(wěn)壓管VZ構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，電阻R1和電容C1構(gòu)成的啟動電路流回Iin-端形成回路。則穩(wěn)壓管VZ端形成電壓給電阻R2，電容C2，三極管TS1、TS2，變壓器T2，整流塊D1，濾波電容C3構(gòu)成的能量獲取電路供電，能量獲取電路正常工作。然后在變壓器T2的初級繞組7，8，9端輸出相位相反的驅(qū)動信號使場效應(yīng)管MT1，MT2組成的推挽驅(qū)動電路工作。當場效應(yīng)管MT1，MT2進入正常的推挽驅(qū)動后，電流信號絕大部分能量從變壓器T1初級繞組的2端流入，變壓器T1初級繞組1和3端流出回到Iin-端。此時電阻R1的電容C1構(gòu)成的啟動電路兩端電壓接近零伏，不會對Iin造成大的分流，不影響變壓器T1能量耦合的精度。能量獲取電路從電流信號取得能量后經(jīng)D1整流，C3濾波后輸出到信號變換處理電路，達到為后級電路供電的目的。而信號能量經(jīng)變壓器T1耦合到次級后由場效應(yīng)管MT3，MT4同步整流后送入信號變換處理電路處理后輸出電流或者電壓信號。
上述啟動電路也可單獨用電容或電阻，也能起到啟動的效果；穩(wěn)壓二極管也可用電阻或電容替代，也能起到穩(wěn)壓的效果。
如圖3、圖4所示，本實施例二包括線性光耦、整流濾波電路和信號變換處理電路，其特征在于還包括能量獲取電路、穩(wěn)壓電路和信號采樣放大電路，輸入電流信號的正端接入能量獲取電路的正輸入端，輸入電流信號的負端接入信號采樣放大電路；穩(wěn)壓電路連接在能量獲取電路的正負輸入端之間，穩(wěn)壓電路形成的電壓接入信號采樣及放大電路和線性光耦的電源端，信號采樣放大電路的輸出連接線性光耦的輸入驅(qū)動線性光耦，能量獲取電路的輸出端接入信號處理電路的電源供電端，線性光耦的輸出接入信號變換處理電路。
上述能量獲取電路與實施例一相同。不同的是沒有啟動電路，也不需在能量獲取電路內(nèi)部變壓器增加線圈繞組，信號耦合變壓器用線性光耦取代，采樣電阻不要太大，小于100歐姆就行。穩(wěn)壓電路形成的電壓直接給信號采樣及放大電路和線性光耦I(lǐng)C供電。電流信號Iin流經(jīng)信號采樣及放大電路，得到一個與Iin成線性比例的電壓或電流信號，然后送入線性光耦I(lǐng)C驅(qū)動線性光耦工作。通過光線的耦合作用在線性光耦的接收端得到與輸入電Iin成線性比例的信號從線性光耦輸出再送入信號變換處理器后由信號變換處理器輸出隔離變換后的電流或者電壓信號。
如圖4所示電流流經(jīng)穩(wěn)壓管和采樣電阻R1形成回路，在穩(wěn)壓管VZ兩端形成電壓給能量獲取電路和運算放大器U1供電。電流信號流經(jīng)采樣電阻R1得到與信號Iin成正比的電信號，送入運算放大器U1進行放大后驅(qū)動線性光耦U2的內(nèi)部發(fā)光二極管，則發(fā)光二極管的發(fā)光強度與輸入信號成正比。同時為使驅(qū)動信號盡快穩(wěn)定，線性光耦U2的3、4腳接入運算放大器U1的反相端形成負反饋，電阻R3是負反饋電阻，電容C4是負反飯電容，增加信號穩(wěn)定性。線性光耦內(nèi)部接收管受內(nèi)部發(fā)光二極管的照射，將光信號變成電信號由線性光耦U2的5、6腳送出到信號變換處理電路處理后送出與Iin成正比的電流或電壓信號。
如圖5所示，上述實施例中能量獲取電路可采用另一種方式，包括三極管TS1、TS2、變壓器T2、變壓器T3、整流塊D1、電阻R2和電容C2，電阻R2和電容C2相串聯(lián)后連接在能量獲取電路輸入端之間，三極管TS1、TS2的發(fā)射極相連并接入電路負輸入端，三極管TS1、TS2的集電極各自連接變壓器T2初級耦合繞組的一個端頭，同時三極管TS1、TS2的集電極也各自連接變壓器T3上的初級耦合繞組的一個反相端頭，三極管TS1、TS2的基極各自連接變壓器T3上的初級反饋繞組的一個端頭，變壓器T2上初級耦合繞組的中間抽頭連接電路的正輸入端，變壓器T3上初級反饋繞組的中間抽頭連接電阻R2和電容C2的串聯(lián)點；變壓器T2的次級繞組端頭連接整流塊D1。
上電瞬間三極管TS1或者TS2其中一個先導通，引起變壓器T3磁通變化。變壓器T3的16、17腳構(gòu)成的另一個繞組的兩端接到T2的1、3腳。此時由變壓器T3的13、14、15腳構(gòu)成的反饋繞組的作用是加強三級管的導通電流。導通的三極管的集電極極電流增加。當導通三極管的電流達到飽和后，變壓器T3的磁通不再增加，引起反饋繞組電壓反相變化，將導通三極管關(guān)斷并開通原來沒導通的三極管，引起振蕩。電流以振蕩頻率流經(jīng)變壓器T2的1、2、3腳構(gòu)成的繞組，將能量耦合到變壓器T2的4、5、6腳構(gòu)成的次級，再經(jīng)整流塊D1整流電容C3濾波后輸出。本能量獲取電路將變壓器T3作為三極管TS1、TS2反饋信號的飽和變壓器，使信號與主能量變壓器T2分開。也就是說主能量變壓器T2不需要達到磁芯飽和就能實現(xiàn)能量耦合，大大降低了變壓器的熱損耗。另外通過調(diào)整變壓器T3的匝數(shù)比，很容易實現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)整，可在保證變壓器發(fā)熱不大情況下大幅度提升振蕩頻率。振蕩頻率的大幅度提升有兩個好處；其一，變壓器T2磁芯上只需較少的線圈匝數(shù)就能實現(xiàn)較大功率的傳輸；其二，可大幅度提高變壓器T1信號耦合變壓器的斬波頻率，大大提高信號響應(yīng)速度。
權(quán)利要求
1.一種無源電磁隔離信號變換器，包括推挽驅(qū)動電路、耦合變壓器、整流濾波電路和信號變換處理電路，其特征在于還包括能量獲取電路和啟動電路，啟動電路并聯(lián)于推挽驅(qū)動電路的輸入端，輸入電流信號的正端接入能量獲取電路的正輸入端，輸入電流信號的負端接入啟動電路和推挽驅(qū)動電路的負端；能量獲取電路的輸出端接入信號處理電路的電源供電端，在能量獲取電路的內(nèi)部變壓器設(shè)有用于提供推挽驅(qū)動信號和同步整流信號的兩個繞組，兩繞組輸出相位相反的方波，并相應(yīng)的接入推挽驅(qū)動電路和同步整流電路的信號驅(qū)動端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源電磁隔離信號變換器，其特征在于所述能量獲取電路包括三極管TS1、TS2、變壓器T2、整流塊D1、電阻R2和電容C2，電阻R2和電容C2相串聯(lián)后連接在能量獲取電路輸入端之間，三極管TS1、TS2的發(fā)射極相連并接入電路負輸入端，三極管TS1、TS2的集電極各自連接變壓器T2初級耦合繞組的一個端頭，三極管TS1、TS2的基極各自連接變壓器T2初級反饋繞組的一個端頭，初級耦合繞組的中間抽頭連接電路的正輸入端，初級反饋繞組的中間抽頭連接電阻R2和電容C2的串聯(lián)點；變壓器T2的次級繞組端頭連接整流塊D1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源電磁隔離信號變換器，其特征在于所述能量獲取電路包括三極管TS1、TS2、變壓器T2、變壓器T3、整流塊D1、電阻R2和電容C2，電阻R2和電容C2相串聯(lián)后連接在能量獲取電路輸入端之間，三極管TS1、TS2的發(fā)射極相連并接入電路負輸入端，三極管TS1、TS2的集電極各自連接變壓器T2初級耦合繞組的一個端頭，同時三極管TS1、TS2的集電極也各自連接變壓器T3上的初級耦合繞組的一個反相端頭，三極管TS1、TS2的基極各自連接變壓器T3上的初級反饋繞組的一個端頭，變壓器T2上初級耦合繞組的中間抽頭連接電路的正輸入端，變壓器T3上初級反饋繞組的中間抽頭連接電阻R2和電容C2的串聯(lián)點；變壓器T2的次級繞組端頭連接整流塊D1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源電磁隔離信號變換器，其特征在于所述的啟動電路為電容、電阻或由電容、電阻的并聯(lián)而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的無源電磁隔離信號變換器，其特征在于所述能量獲取電路的輸入端之間并聯(lián)穩(wěn)壓電路，該穩(wěn)壓電路為穩(wěn)壓二極管、分壓電阻或分壓電容。
6.一種無源電磁隔離信號變換器，包括線性光耦、整流濾波電路和信號變換處理電路，其特征在于還包括能量獲取電路、穩(wěn)壓電路和信號采樣放大電路，輸入電流信號的正端接入能量獲取電路的正輸入端，輸入電流信號的負端接入信號采樣放大電路；穩(wěn)壓電路連接在能量獲取電路的正負輸入端之間，穩(wěn)壓電路形成的電壓接入信號采樣及放大電路和線性光耦的電源端，信號采樣放大電路的輸出連接線性光耦的輸入驅(qū)動線性光耦，能量獲取電路的輸出端接入信號處理電路的電源供電端，線性光耦的輸出接入信號變換處理電路。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無源電磁隔離信號變換器，包括推挽驅(qū)動電路、耦合變壓器、整流濾波電路和信號變換處理電路，其特征在于還包括能量獲取電路和啟動電路，啟動電路并聯(lián)于推挽驅(qū)動電路的輸入端，輸入電流信號的正端接入能量獲取電路的正輸入端，輸入電流信號的負端接入啟動電路和推挽驅(qū)動電路的負端；能量獲取電路的輸出端接入信號處理電路的電源供電端，在能量獲取電路的內(nèi)部變壓器設(shè)有用于提供推挽驅(qū)動信號和同步整流信號的兩個繞組，兩繞組輸出相位相反的方波，并相應(yīng)的接入推挽驅(qū)動電路和同步整流電路的信號驅(qū)動端。本發(fā)明使輸出信號達到高標準的精度，大大提高了無源電磁隔離信號變換器的性能。
文檔編號G08C19/02GK1755743SQ200510037079
公開日2006年4月5日 申請日期2005年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月8日
發(fā)明者尹向前, 磨定敏 申請人:廣州漢為電子科技有限公司