Усилитель с батарейным питанием и оптической изоляцией

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2016

При соединении друг с другом научных приборов, в особенности старых, у вас часто возникает необходимость в гальванической изоляции аналоговых интерфейсов. Усилитель, схема которого показана на Рисунке 1, работает от батареи 9 В и удовлетворяет этим требованиям. Его общий коэффициент усиления равен 100, допустимое напряжение вход-выход составляет несколько киловольт, а сопротивление изоляции превышает 1 ГОм. Потребляемый усилителем ток пропорционален амплитуде сигнала и находится в диапазоне от 1 до 500 мкА. При столь незначительном токе схема в режиме усиления может проработать от батареи более 1000 часов, а при отсутствии сигнала батареи хватит на годы.

Рисунок 1.

Со стороны входа усилителя используется микромощный операционный усилитель (ОУ) IC₁. Микросхема IC₁ отслеживает ток, протекающий через D₁, таким образом, чтобы сигнал обратной связи, формируемый транзистором Q₁, устанавливал входное напряжении в ноль. При максимальном входном напряжении 50 мВ ток, протекающий через транзистор Q₁, равен 133 мкА. Последовательное соединение светодиодов оптронов гарантирует, что ток управления пары D₁/Q₁ будет точно таким же, как для пар D₂/Q₂, D₃/Q₃ и D₄/Q₄. Такое согласование, в сочетании с эффективными характеристиками внутриканального динамического управления коэффициентом передачи тока оптрона PS2501-4, и близость уровней смещения транзисторов всех четырех оптопар позволяют получить нелинейность передаточной функции лучше 1%.

После соответствующей регулировки с помощью потенциометра «ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ» при входном напряжении 50 мВ общий ток транзисторов Q₂, Q₃ и Q₄ будет равным 500 мкА, а выходное напряжение – 5 В, что идеально подходит для прямого подключения к типичному аналого-цифровому преобразователю. Заметим, что работа при столь низких уровнях токов нехарактерна для оптоизоляторов и влечет за собой существенное падение коэффициента передачи тока в паре излучатель-приемник. Это падение компенсируется большим усилением в петле обратной связи, замыкающейся через ОУ IC₁, обеспечивающим линеаризацию передаточной характеристики. Низкая скорость страдающего отсутствием аппетита операционного усилителя MAX406 ограничивает частотную характеристику далеко не блестящим значением 1 кГц, но, тем не менее, схема способна работать на частотах до 1 кГц – этого хватает для многих приложений.

Хотя срок службы батареи и велик, все же, он конечен; поэтому вам нужен надежный критерий оценки ее состояния. Для этого предусмотрена кнопка «КОНТРОЛЬ БАТАРЕИ», подключающая к батарее последовательную цепочку из стабилитрона 5.1 В, зеленого светодиода с прямым напряжением 2 В и токоограничительного резистора. Когда напряжение батареи станет меньше, чем примерно 7 В, зеленый светодиод погаснет, уведомляя о том, что батарею пора заменить. Проверять батарею вам придется только с входной стороны усилителя, поскольку, как показывают расчеты, отдаваемый ею средний ток немного превышает средний ток выходной стороны. Таким образом, сигнал светодиода вы можете использовать в качестве консервативного индикатора состояния обеих батарей.

Материалы по теме