Представлены схемы выпрямителей, имеющих повышенную точность выпрямления и гальваническую развязку входных и выходных цепей. В выпрямителях использованы микросхемы CD40106 и/или CD4066. Гальваническую развязку обеспечивает оптрон HCPL-181-000 и разделительный трансформатор.
Общеизвестно, что традиционные диодные мосты не могут обеспечить функцию идеального детектора, поскольку любые полупроводниковые диоды выпрямителя имеют отчетливо выраженную нелинейную вольтамперную характеристику на начальном ее участке. Это заметно сказывается на форме выпрямленного сигнала, поэтому в качестве «идеального» устройства такие мосты можно использовать для выпрямления сигналов только большой амплитуды.
Для выпрямления сигналов малой амплитуды обычно используют прецизионные выпрямители, выполненное на активных элементах – транзисторах или микросхемах. На Рисунке 1 показана схема прецизионного выпрямителя, отличающегося наличием гальванической развязки входных и выходных цепей. Сигнал от источника переменного тока Е1 подается на оптоэлектронную пару DA1 HCPL-181-000 через токоограничивающий резистор R1. Диод VD1 защищает светодиод оптоэлектронной пары от импульсов обратного напряжения. Одновременно сигнал от источника E1 поступает на трансформатор Т1, нагрузкой которого являются резисторы R3 и R4, точка соединения которых соединена с общей шиной.
 |
|
| Рисунок 1. | Электрическая схема прецизионного выпрямителя с гальванической развязкой с использованием микросхем CD40106 и CD4066. |
Сигналы, снимаемые с коллектора транзистора оптоэлектронной пары, поступают на пороговый элемент, которым является элемент «НЕ» микросхемы DD1.1 CD40106. К выходу элемента DD1.1 подключен инвертор DD1.2. Такая совокупность элементов является детектором нуля и формирует импульсы прямоугольной формы, которые подаются на входы управления аналоговых ключей-коммутаторов DA2.1 и DA2.2 микросхемы CD4066.
Аналоговые ключи DA2.1 и DA2.2 открываются поочередно в соответствии с полярностью входного сигнала. Через эти ключи сигналы, снимаемые со вторичной обмотки трансформатора Т1, поступают на сопротивление нагрузки R5. Для снижения сопротивления открытого ключа (в корпусе микросхемы CD4066 таких ключей четыре) их каналы включены попарно. Поскольку сопротивление аналоговых ключей в открытом состоянии много меньше сопротивления нагрузки, то такой выпрямитель будет являться неплохим приближением к идеальному. На Рисунке 2 показана форма сигналов, снимаемых с различных точек устройства.
 |
|
| Рисунок 2. | Форма электрических сигналов, снимаемых с различных точек устройства. |
Следует учитывать то, что на входы аналоговых ключей микросхемы CD4066 не стоит подавать напряжение свыше 50% от напряжения питания, или, в данном случае, 2.5 В. Поэтому для выпрямления напряжений иного уровня это необходимо учитывать при выборе трансформатора (коэффициента его трансформации) и номинала гасящего сопротивления R1. Кстати, питание на светодиод оптрона DA1 и на резисторы R3 и R4 можно подавать с раздельных вторичных обмоток трансформатора, как понижающих, так и повышающих.
Минимальное входное напряжение на резисторах R3 и R4, достаточное для корректной работы выпрямителя, составляет 0.1 мкВ. При использовании вторичной обмотки трансформатора со средней точкой эти резисторы можно исключить из схемы.
На первый взгляд, кажется, что можно сэкономить один корпус микросхемы, выполнив формирователь управляющих сигналов на основе неиспользуемых элементов аналогового коммутатора.
На Рисунке 3 показана схема прецизионного выпрямителя с использованием всего одной микросхемы аналогового коммутатора на микросхеме DA2 CD4066. Такой выпрямитель вполне работоспособен, однако форма выпрямленного сигнала не столь идеальна, поскольку в качестве пороговых элементов использованы аналоговые ключи, имеющие размытые пороги переключения.
 |
|
| Рисунок 3. | Электрическая схема варианта прецизионного выпрямителя с гальванической развязкой с использованием микросхемы CD4066. |
Достоинством представленных выпрямителей является гальваническая развязка входных и выходных цепей, что обеспечивает надежную электрическую изоляцию и безопасность использования подобных устройств, а также возможность работы от однополярного источника питания и хорошая совместимость с современными АЦП и микроконтроллерами.
Примечание
Последнее время производители КМОП-микросхем для защиты входов микросхем от подачи на них отрицательного напряжения относительно минуса питания стали дополнять защиту входным токоограничивающим резистором сопротивлением 200…500 Ом. Без таковых резисторов на входы допустимо подавать отрицательное напряжение, не превышающее 0.5 В (по датшиту), а по факту до 0.7 В.
Что касается использования в выпрямителе микросхемы CD4066, то для повышения надежности работы устройства рекомендуется на входах переключающих каналов установить резисторы сопротивлением порядка 300 Ом, что при параллельном соединении двух каналов переключения при работе на нагрузку 10 кОм снизит уровень выходного сигнала на 1.5%, а при нагрузке 100 кОм – менее чем на 0.15%.
В использовании таких резисторов нет необходимости, если внутреннее сопротивление источника сигнала достаточно высоко.
