JPS5816255Y2 - 入出力絶縁形直流増幅器 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は直流の微小入力信号を受け、この入力信号の回
路とは直流的に絶縁された直流又はパルス出力を得る直
流増幅器の改良に関する。

プロセスの制御機器（変換器、調節器等）は直流の入力
電圧を受信し、これを増幅又は演算した後遠隔伝送に適
する電流出力信号に変換して発信する機能を持つものが
多く、その場合入力回路からのノイズの軽減又は後続す
る機器の電位関係等の制約から、入力回路と出力回路を
直流的に絶縁する機能を要求されることがしばしばある
。

出願人は、既にこのような要求を満し、かつ簡単な構成
により高精度変換が可能な直流増幅を実願昭３９−２０
２５０号において提供した。

その考案の概要を第１図に卦いて説明する。

入力端子１，１′に与えられる直流の入力信号電圧Ｅｉ
とポテンショメータ２に発生する帰還信号電圧ＥｆＯ
差Ｅｄは変調器３で交流変調され、交流増幅器４で増幅
される。

その交流出力は直流絶縁用の変成器５を介して同期整流
回路６に導かれて直流信号に復調され、その信号を出力
増幅器７に与えて出力電流Ｉｏを発生させ、負荷９に与
える。

尚８は出力増幅器７の電源である。１２゜１３は電流切
換スイッチを形成するトランジスタで、エミッタが共通
接続されて負荷９の一端に、コレクタが夫々電流変成器
１４の１次巻線の両端に接続される。

この１次巻線の中点は出力増幅器７の出力の一端に接続
される。

電流変成器１４の２次巻線の両端は全波整流用ダイオー
ド１５．１６を介してポテンショメータ２の一端へ、中
点はポテンショメータ２の他端に接続されて出力電流■
０に対応した帰還電流Ｉｆをポテンショメータ２に与え
、帰還信号電圧Ｅｆをこのポテンショメータの摺動端子
に発生せしめる。

１７はポテンショメータ２に並列に接続された平滑用コ
ンデンサである。

１０は電源８で励振され、変成器１１の１次巻線に交流
出力を与える発振器であって、この変成器１１の各２次
巻線を介して変調器３、同期整流回路６及び電流切換用
トランジスタ１２．１３のベースコレクタ間に夫夫励振
電圧ｅｌ、ｅ２．ｅ３を与えると共に増幅器４の電源端
子ａ、ｂに絶縁された直流電源電圧を供給する。

電流切換用トランジスタ１２．１３は交互にオン、又は
オフに制御され出力電流Ｉｏは電流変成器１４０１次巻
線をＡ、Ａ’で示すように交互に逆方向に流れる。

従って２次巻線には出力電流Ｉｏと等しい振幅の交流矩
形波電流が流れ、これを全波整流することによって、出
力電流Ｉｏと等しい大きさでかつＩｏと直流的に絶縁さ
れた帰還電流Ｉｆを得ることができる。

従って入力回路と出力回路は、変成器５、電流変成器１
４及び変成器１１により直流的に絶縁される。

この回路の特徴は、帰還回路の途中に挿入される電流切
換スイッチ及び電流変成器よりなる直流絶縁手段であっ
て、トランジスタを電流切換スイッチとして使用するこ
とによりトランジスタ自身の有するオフセット電圧の影
響を全く受けることがなく、簡単な構成にもかかわらず
温度、電源電圧に対して極めて安定な増幅器を実現し得
る点にある。

しかしながらこのような構成による直流増幅器は、表回
路において変成器５が又帰還回路において変成器１４が
必要であり、これら変成器は絶縁上シールドを厳重に行
なうため製作が容易ではなく、特に変成器１４について
は伝送効率、精度の問題も関係するので製作条件が更に
厳しく高価となり、又変成器のスペースは他の電子回路
部品がＩＣ化され小形化されているのに対して専有面積
が大きく小形化が防げられる等の欠点がある。

即ち、変成器の使用個数はできるだけ少ないことが経済
的であり、小形化が容易である。

本考案は上記のような欠点を解消するものであって、最
近安価に市販されている発光ダイオードとフォトトラン
ジスタを組合せた光結合素子（以下フォトカップラ手段
という）を有効に使用することにより、表回路側及び帰
還回路側共に変成器を使用しない構成の入出力絶縁形の
直流増幅器を提供するものである。

本考案の特徴点は、第１図における表回路の直流絶縁手
段である変成器５の部分をフォトカップラ手段とすると
共に帰還回路の変成器１４を共にフォトカップラ手段と
することにある。

第２図は、本考案の一実施例を示す回路構成図であって
、第１図との相違点につき説明すれば、増幅器４の交流
出、アナログ振幅力がフォトカップラ手段１８の発光ダ
イオード１８１に与えられ、これを発光させる。

発光ダイオード１８１よりの光信号はフォトカップラ手
段１８の受光素子であるフォトトランジスタ１８２で受
信されて電気信号に変換される。

この電気信号は同期整流回路６に導かれて直流電圧に変
換され、出力増幅器７に与えられて出力電流Ｉｏに変換
される。

尚同期整流回路６のスイッチング用トランジスタはフォ
トトランジスタ１８２で兼用されている。

励振電圧ｅ １ 、ｅ２及び増幅器４への電源供給用の
交流発振器及び変成器は第１図と同様のものでよいので
第２図では省略しである。

表回路の直流絶縁手段としてのフォトカップラ手段は、
一般に変成器に比較して直線性が劣るが、第２図のごと
き構成の直流増幅器にあっては、増幅器４を含めたルー
プゲインが充分大であれば、入出力間の特性を決定する
のは帰還回路の特性であって、帰還回路部分に変換精度
の極めて高い電流切換方式の直流絶縁手段を用いること
によって、第１図の場合と同様にドリフトの少ない極め
て高精度の直流増幅器を得ることができ、フォトカップ
ラ自体の特性は何ら問題とならない。

更にフォトカップラは小型で電磁誘導障害が無い点等に
おいて変成器より優れているため、フォトカップ、うの
導入によって小型安価で高精度の入出力絶縁形直流増幅
畢の実現が容易となる。

本考案では、帰還回路ｇ１の直流絶縁もフォトカップラ
手段２０で構成される。

出力電流Ｉｏがデユーティサイ、クル変換回路２１の受
信抵抗２１１に流れＩｏに比例した電圧Ｅｏに変換され
、この電圧Ｅｏを適当な変換回路（例えば電圧−周波数
変換回路と単、安定回路を組合せたもの）２１２により
ＥＯに比例したデユーティサイクル信号Ｉｄに変換し、
フォトカップラ手段２００発光ダイオード２０１に流し
発光させる。

フォトトランジスタ２０２はこのデユーティサイクルに
応じたオンオフ比で一定電圧Ｅｂを適当な抵抗２２を介
してオンオフする。

この抵抗２２とフォトトランジスタ２０２の接続卓に発
生する電圧は、積分回路２３により平滑事れて車圧Ｅｂ
とデユーティサイクルの積に比例した直流電圧に変換さ
れた後ポテンショメータ２で適当に分圧されて帰還信号
電圧Ｅｆを発生させる。

電圧Ｅｏをデユーティサイクル信号Ｉｄに変換する変換
回路２１２を設けたのはこれより後段の復調回路の構成
を簡単にする為である。

即ち、フォトカプラ２０で絶縁した後、デジタル信号を
元のアナログ信号に復調する場合、デユーティサイクル
信号であればオン・オフ比がアナログ信号に比例してい
る為、単に平滑するだけで元のアナログ信号に復調でき
る。

このような構成において、系のループゲインが充分大と
すれば、帰還信号電圧Ｅｆは入力信号電圧Ｅｉと平衡す
る。

Ｋ１ 、に２を定数とし、デユーティサイクルをＤとす
れば、 Ｄ＝に１ ・Ｉｏ−Ｒｏ（Ｒｏ：抵抗２１１の抵抗値）
・・・・・・・・・（１） Ｅｆ＝に２・Ｄ−Ｅｂ ・・・・・・
・・・（２）Ｅｉ＝Ｅｆ ・・
・・・・・・・（３）であるから、これらより となり、Ｅｂ及びに１．に２．Ｒｏが一定ならば出力電
流ＩｏはＥｉに比例することがわかる。

又（４）式においてＥｂを変数として与えれば、出力型
ｉＩｏはＥ ｉ ／ Ｅ ｂに比例するから割算演算を
行なわせることができる。

このような構成の直流増幅器における変換精度は、デユ
ーティサイクル変換回路２１の特性によって決定される
が、電圧又は電流のアナログ信号を、これに比例するデ
ユーティサイクルを有するパルス信号に変換する技術は
、公知のＡ−Ｄ変換技術により極めて高精度に実現する
ことが可能であって、フォトカップラ手段２０を含めた
帰還回路の特性を第１図における電流切換スイッチと電
流変成器を用いたものと同等以上とすることは容易であ
る。

従って第２図のごとき構成によれば、直流絶縁のための
変成器は全く不必要となり、回路はすべて小型安価な部
品で構成することが可能であり、小形化された高精度の
入出力紙縁形直流増幅器を安価に得ることができる。

尚上記の実施例においては、フォトカップラ手段として
発光ダイオードとフォトトランジスタの組合せについて
例示したが、これらは他の発光素子例えばランプと他の
受光素子例えばフォトＦＥＴの組合せ等でも伺らさしつ
かえない。

又同期整流回路６及び第２図における平滑回路２３等に
ついても図示のものに限定されず他の適当な回路手段を
用いることができる。

更に出力の形式としては電流の場合についてのみ説明し
たが、適当な変換手段により電圧出力を得るようにも構
成できるし、又場合によっては第２図においてデユーテ
ィサイクルに対応したパルス信号を出力としてもよいこ
とは明らかである。

尚第２図の実施例は最も一般的な直流増幅器であるが、
入力回路、帰還回路等を変形することにより種々の応用
が考えられる。

例えば帰還回路の途中に非直線要素、又は微分、積分演
算要素を挿入して種々の演算を行なう増幅器としてもよ
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の、第２図は本考案の入出力紙縁形直流増
幅器の一例を示す回路構成図である。 １．１′・・・・・・入力端子、２・・・・・・帰還電
圧発生用ポテンショメータ、３・・・・・・変調器、４
・・・・・・交流増幅器、６・・・・・・同期整流回路
、７・・・・・・出力増幅器、８・・・・・・電源、９
・・・・・・負荷、１８．２０・・・・・・フォトカッ
プラ手段、２１・・・・・・デユーティサイクル変換回
路、２３・・・・・・平滑回路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 入力信号と帰還信号の差を交流信号に変調する変調器と
   、この変調器出力を増幅する増幅器と、この増幅器のア
   ナログ振幅出力で発光する発光素子と、この発光素子の
   光を受ける受光素子と、この受光素子の出力を整流する
   同期整流回路と、この回路の出力を受けて電流又は電圧
   信号に変換する出力増幅器と、上記電流又は電圧信号を
   これに比例したデユーティサイクル信号に変換する変換
   回路と、この変換回路出力で発光する発光素子と、この
   発光素子の光を受ける受光素子と、この受光素子の出力
   を平滑して上記電圧又は電流信号に対応した上記帰還信
   号を発生させるための帰還回路とよりなる入出力絶縁形
   直流増幅器。