专利名称：无源电磁隔离信号变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于4～20mA标准电流信号隔离变换传输的无源电磁隔离信号变换器。
背景技术：
现有无源电磁隔离信号变换器包括推挽驱动电路、耦合变压器、整流滤波电路和信号处理电路，4到20mA的恒流源信号从电流输入端输入；流入的电流信号能量使推挽驱动电路起振并使推挽驱动电路工作，对电流信号进行斩波调制；电流信号能量通过变压器耦合到变压器的次级，再由连接在次级的整流滤波电路及信号变换处理电路处理后从电流输出端输出。这种无源电磁隔离信号变换方式存在以下缺陷(1)因为整流滤波没有电源供电，无法实现后级信号的有源处理，当信号的负载变化时，输出信号幅度跟着变化，做不到真正的恒流源信号输出；(2)因为推挽驱动电路的正常工作分流一部分电流，并且分流掉的信号无法在后级得到补偿，因此非线性化严重，精度无法保证，通常只能达到0.2级精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无源电磁隔离信号变换器，使输出信号达到高标准的精度，大大提高了无源电磁隔离信号变换器的性能。
上述目的可通过以下的技术措施来实现一种无源电磁隔离信号变换器包括推挽驱动电路、耦合变压器、整流滤波电路和信号变换处理电路，其特征在于还包括能量获取电路和启动电路，启动电路并联于推挽驱动电路的输入端，输入电流信号的正端接入能量获取电路的正输入端，输入电流信号的负端接入启动电路和推挽驱动电路的负端；能量获取电路的输出端接入信号处理电路的电源供电端，在能量获取电路的内部变压器设有用于提供推挽驱动信号和同步整流信号的两个绕组，两绕组输出相位相反的方波，并相应的接入推挽驱动电路和同步整流电路的信号驱动端。
所述能量获取电路包括三极管TS1、TS2、变压器T2、整流块D1、电阻R2和电容C2，电阻R2和电容C2相串联后连接在能量获取电路输入端之间，三极管TS1、TS2的发射极相连并接入电路负输入端，三极管TS1、TS2的集电极各自连接变压器T2初级耦合绕组的一个端头，三极管TS1、TS2的基极各自连接变压器T2初级反馈绕组的一个端头，初级耦合绕组的中间抽头连接电路的正输入端，初级反馈绕组的中间抽头连接电阻R2和电容C2的串联点；变压器T2的次级绕组端头连接整流块D1。
所述能量获取电路包括三极管TS1、TS2、变压器T2、变压器T3、整流块D1、电阻R2和电容C2，电阻R2和电容C2相串联后连接在能量获取电路输入端之间，三极管TS1、TS2的发射极相连并接入电路负输入端，三极管TS1、TS2的集电极各自连接变压器T2初级耦合绕组的一个端头，同时三极管TS1、TS2的集电极也各自连接变压器T3上的初级耦合绕组的一个反相端头，三极管TS1、TS2的基极各自连接变压器T3上的初级反馈绕组的一个端头，变压器T2上初级耦合绕组的中间抽头连接电路的正输入端，变压器T3上初级反馈绕组的中间抽头连接电阻R2和电容C2的串联点；变压器T2的次级绕组端头连接整流块D1。
所述的启动电路为电容、电阻或由电容、电阻的并联而成。
为了能使能量获取电路工作稳定，在能量获取电路的输入端之间并联稳压电路。所述稳压电路为稳压二极管、分压电阻或分压电容。
本发明还可以通过以下技术方案实现一种无源电磁隔离信号变换器包括线性光耦、整流滤波电路和信号变换处理电路，其特征在于还包括能量获取电路、稳压电路和信号采样放大电路，输入电流信号的正端接入能量获取电路的正输入端，输入电流信号的负端接入信号采样放大电路；稳压电路连接在能量获取电路的正负输入端之间，稳压电路形成的电压接入信号采样及放大电路和线性光耦的电源端，信号采样放大电路的输出连接线性光耦的输入驱动线性光耦，能量获取电路的输出端接入信号处理电路的电源供电端，线性光耦的输出接入信号变换处理电路。
本发明与现有技术相比具有以下优点(1)通过连接能量获取电路，可从电流信号输入环路获取能量供给同步整流电路和信号变换处理这些次级处理电路，解决了传统无源电磁隔离的信号变换器的信号传输次级供电问题；使无源信号变换器输出信号达到高标准的精度、线性度和温度漂移；大大提高了无源电磁隔离信号变换器的性能。
(2)在能量获取电路的内部变压器增加线圈绕阻，为推挽驱动电路和同步整流电路提供驱动信号，使得只需增加简单的线圈绕阻解决了电流的斩波调制频率信号问题。同时可将调制频率提高到一个高的标准，大大提高系统的响应速度。
(3)在推挽驱动电路的输入端连接启动电路，使得推挽驱动电路正常工作前能量获取电路输入端构成回路。同时在推挽驱动电路正常工作后启动电路端电压自动降到接近零伏，使启动电路只造成极小的分流，不会影响系统精度。
图1为本发明具体实施例一的原理框图；图2为图1所示具体实施例的电路原理图；图3为本发明具体实施例二的原理框图；图4为图3所示具体实施例的电路原理图；图5为本发明中能量获取电路的又一实施方式电路原理图。
具体实施例方式
如图1、图2所示，本实施例一包括推挽驱动电路、耦合变压器T1、整流滤波电路和信号变换处理电路、能量获取电路和启动电路，启动电路由电容C1、电阻R1的并联而成，启动电路并联于推挽驱动电路的输入端，输入电流信号的正端接入能量获取电路的正输入端，为了能使能量获取电路工作稳定，在能量获取电路的输入端之间并联稳压二极管VZ，稳压二极管Vz的阳极接启动电路，阴极接输入电流信号的正端。输入电流信号的负端接入启动电路和推挽驱动电路的负端。能量获取电路的输出端接入信号处理电路的电源供电端，在能量获取电路的内部变压器设有用于提供推挽驱动信号和同步整流信号的两个绕组，两绕组输出相位相反的方波，并相应的接入推挽驱动电路和同步整流电路的信号驱动端。
能量获取电路包括三极管TS1、TS2、变压器T2、整流块D1、电阻R2和电容C2，电阻R2和电容C2相串联后连接在能量获取电路输入端之间，三极管TS1、TS2的发射极相连并接入电路负输入端，三极管TS1、TS2的集电极各自连接变压器T2初级耦合绕组的一个端头，三极管TS1、TS2的基极各自连接变压器T2初级反馈绕组的一个端头，初级耦合绕组的中间抽头连接电路的正输入端，初级反馈绕组的中间抽头连接电阻R2和电容C2的串联点；变压器T2的次级绕组端头连接整流块D1。上电瞬间三极管TS1或者TS2其中一个先导通，引起变压器T2磁通变化，此时反馈绕组13、14、15加强三极管的导通电流。导通的三极管的集电极极电流增加。当导通的三极管的电流达到饱和后，变压器T2的磁通不再增加，引起反馈绕组电压反相变化，将导通三极管关断并开通原来没导通的三极管，引起振荡。电流以振荡频率流经变压器T2中的1、2、3脚构成的初级耦合绕组，将能量耦合到变压器T2中的4、5、6脚构成的次级，再经整流块D1整流电容C3滤波后输出。
4到20mA的恒流源信号从Iin+端输入的电流信号在接入瞬间从Iin的+端流入，流经稳压管VZ构成的稳压电路，电阻R1和电容C1构成的启动电路流回Iin-端形成回路。则稳压管VZ端形成电压给电阻R2，电容C2，三极管TS1、TS2，变压器T2，整流块D1，滤波电容C3构成的能量获取电路供电，能量获取电路正常工作。然后在变压器T2的初级绕组7，8，9端输出相位相反的驱动信号使场效应管MT1，MT2组成的推挽驱动电路工作。当场效应管MT1，MT2进入正常的推挽驱动后，电流信号绝大部分能量从变压器T1初级绕组的2端流入，变压器T1初级绕组1和3端流出回到Iin-端。此时电阻R1的电容C1构成的启动电路两端电压接近零伏，不会对Iin造成大的分流，不影响变压器T1能量耦合的精度。能量获取电路从电流信号取得能量后经D1整流，C3滤波后输出到信号变换处理电路，达到为后级电路供电的目的。而信号能量经变压器T1耦合到次级后由场效应管MT3，MT4同步整流后送入信号变换处理电路处理后输出电流或者电压信号。
上述启动电路也可单独用电容或电阻，也能起到启动的效果；稳压二极管也可用电阻或电容替代，也能起到稳压的效果。
如图3、图4所示，本实施例二包括线性光耦、整流滤波电路和信号变换处理电路，其特征在于还包括能量获取电路、稳压电路和信号采样放大电路，输入电流信号的正端接入能量获取电路的正输入端，输入电流信号的负端接入信号采样放大电路；稳压电路连接在能量获取电路的正负输入端之间，稳压电路形成的电压接入信号采样及放大电路和线性光耦的电源端，信号采样放大电路的输出连接线性光耦的输入驱动线性光耦，能量获取电路的输出端接入信号处理电路的电源供电端，线性光耦的输出接入信号变换处理电路。
上述能量获取电路与实施例一相同。不同的是没有启动电路，也不需在能量获取电路内部变压器增加线圈绕组，信号耦合变压器用线性光耦取代，采样电阻不要太大，小于100欧姆就行。稳压电路形成的电压直接给信号采样及放大电路和线性光耦IC供电。电流信号Iin流经信号采样及放大电路，得到一个与Iin成线性比例的电压或电流信号，然后送入线性光耦IC驱动线性光耦工作。通过光线的耦合作用在线性光耦的接收端得到与输入电Iin成线性比例的信号从线性光耦输出再送入信号变换处理器后由信号变换处理器输出隔离变换后的电流或者电压信号。
如图4所示电流流经稳压管和采样电阻R1形成回路，在稳压管VZ两端形成电压给能量获取电路和运算放大器U1供电。电流信号流经采样电阻R1得到与信号Iin成正比的电信号，送入运算放大器U1进行放大后驱动线性光耦U2的内部发光二极管，则发光二极管的发光强度与输入信号成正比。同时为使驱动信号尽快稳定，线性光耦U2的3、4脚接入运算放大器U1的反相端形成负反馈，电阻R3是负反馈电阻，电容C4是负反饭电容，增加信号稳定性。线性光耦内部接收管受内部发光二极管的照射，将光信号变成电信号由线性光耦U2的5、6脚送出到信号变换处理电路处理后送出与Iin成正比的电流或电压信号。
如图5所示，上述实施例中能量获取电路可采用另一种方式，包括三极管TS1、TS2、变压器T2、变压器T3、整流块D1、电阻R2和电容C2，电阻R2和电容C2相串联后连接在能量获取电路输入端之间，三极管TS1、TS2的发射极相连并接入电路负输入端，三极管TS1、TS2的集电极各自连接变压器T2初级耦合绕组的一个端头，同时三极管TS1、TS2的集电极也各自连接变压器T3上的初级耦合绕组的一个反相端头，三极管TS1、TS2的基极各自连接变压器T3上的初级反馈绕组的一个端头，变压器T2上初级耦合绕组的中间抽头连接电路的正输入端，变压器T3上初级反馈绕组的中间抽头连接电阻R2和电容C2的串联点；变压器T2的次级绕组端头连接整流块D1。
上电瞬间三极管TS1或者TS2其中一个先导通，引起变压器T3磁通变化。变压器T3的16、17脚构成的另一个绕组的两端接到T2的1、3脚。此时由变压器T3的13、14、15脚构成的反馈绕组的作用是加强三级管的导通电流。导通的三极管的集电极极电流增加。当导通三极管的电流达到饱和后，变压器T3的磁通不再增加，引起反馈绕组电压反相变化，将导通三极管关断并开通原来没导通的三极管，引起振荡。电流以振荡频率流经变压器T2的1、2、3脚构成的绕组，将能量耦合到变压器T2的4、5、6脚构成的次级，再经整流块D1整流电容C3滤波后输出。本能量获取电路将变压器T3作为三极管TS1、TS2反馈信号的饱和变压器，使信号与主能量变压器T2分开。也就是说主能量变压器T2不需要达到磁芯饱和就能实现能量耦合，大大降低了变压器的热损耗。另外通过调整变压器T3的匝数比，很容易实现振荡频率的调整，可在保证变压器发热不大情况下大幅度提升振荡频率。振荡频率的大幅度提升有两个好处；其一，变压器T2磁芯上只需较少的线圈匝数就能实现较大功率的传输；其二，可大幅度提高变压器T1信号耦合变压器的斩波频率，大大提高信号响应速度。
权利要求
1.一种无源电磁隔离信号变换器，包括推挽驱动电路、耦合变压器、整流滤波电路和信号变换处理电路，其特征在于还包括能量获取电路和启动电路，启动电路并联于推挽驱动电路的输入端，输入电流信号的正端接入能量获取电路的正输入端，输入电流信号的负端接入启动电路和推挽驱动电路的负端；能量获取电路的输出端接入信号处理电路的电源供电端，在能量获取电路的内部变压器设有用于提供推挽驱动信号和同步整流信号的两个绕组，两绕组输出相位相反的方波，并相应的接入推挽驱动电路和同步整流电路的信号驱动端。
2.根据权利要求1所述的无源电磁隔离信号变换器，其特征在于所述能量获取电路包括三极管TS1、TS2、变压器T2、整流块D1、电阻R2和电容C2，电阻R2和电容C2相串联后连接在能量获取电路输入端之间，三极管TS1、TS2的发射极相连并接入电路负输入端，三极管TS1、TS2的集电极各自连接变压器T2初级耦合绕组的一个端头，三极管TS1、TS2的基极各自连接变压器T2初级反馈绕组的一个端头，初级耦合绕组的中间抽头连接电路的正输入端，初级反馈绕组的中间抽头连接电阻R2和电容C2的串联点；变压器T2的次级绕组端头连接整流块D1。
3.根据权利要求1所述的无源电磁隔离信号变换器，其特征在于所述能量获取电路包括三极管TS1、TS2、变压器T2、变压器T3、整流块D1、电阻R2和电容C2，电阻R2和电容C2相串联后连接在能量获取电路输入端之间，三极管TS1、TS2的发射极相连并接入电路负输入端，三极管TS1、TS2的集电极各自连接变压器T2初级耦合绕组的一个端头，同时三极管TS1、TS2的集电极也各自连接变压器T3上的初级耦合绕组的一个反相端头，三极管TS1、TS2的基极各自连接变压器T3上的初级反馈绕组的一个端头，变压器T2上初级耦合绕组的中间抽头连接电路的正输入端，变压器T3上初级反馈绕组的中间抽头连接电阻R2和电容C2的串联点；变压器T2的次级绕组端头连接整流块D1。
4.根据权利要求1所述的无源电磁隔离信号变换器，其特征在于所述的启动电路为电容、电阻或由电容、电阻的并联而成。
5.根据权利要求1、2或3所述的无源电磁隔离信号变换器，其特征在于所述能量获取电路的输入端之间并联稳压电路，该稳压电路为稳压二极管、分压电阻或分压电容。
6.一种无源电磁隔离信号变换器，包括线性光耦、整流滤波电路和信号变换处理电路，其特征在于还包括能量获取电路、稳压电路和信号采样放大电路，输入电流信号的正端接入能量获取电路的正输入端，输入电流信号的负端接入信号采样放大电路；稳压电路连接在能量获取电路的正负输入端之间，稳压电路形成的电压接入信号采样及放大电路和线性光耦的电源端，信号采样放大电路的输出连接线性光耦的输入驱动线性光耦，能量获取电路的输出端接入信号处理电路的电源供电端，线性光耦的输出接入信号变换处理电路。
全文摘要
本发明公开一种无源电磁隔离信号变换器，包括推挽驱动电路、耦合变压器、整流滤波电路和信号变换处理电路，其特征在于还包括能量获取电路和启动电路，启动电路并联于推挽驱动电路的输入端，输入电流信号的正端接入能量获取电路的正输入端，输入电流信号的负端接入启动电路和推挽驱动电路的负端；能量获取电路的输出端接入信号处理电路的电源供电端，在能量获取电路的内部变压器设有用于提供推挽驱动信号和同步整流信号的两个绕组，两绕组输出相位相反的方波，并相应的接入推挽驱动电路和同步整流电路的信号驱动端。本发明使输出信号达到高标准的精度，大大提高了无源电磁隔离信号变换器的性能。
文档编号G08C19/02GK1755743SQ200510037079
公开日2006年4月5日 申请日期2005年9月8日 优先权日2005年9月8日
发明者尹向前, 磨定敏 申请人:广州汉为电子科技有限公司