Для многих схем промышленных и медицинских систем требуется изоляция от сети переменного тока. Часто сигнал можно передать через изолирующий барьер с помощью небольшого трансформатора, однако трансформаторы плохо пропускают низкочастотные сигналы. Схема в этой статье преобразует низкочастотный сигнал ШИМ (широтно-импульсной модуляции) в более высокую частоту, которая проходит через трансформатор, сохраняя коэффициент заполнения. После того, как высокочастотный сигнал ШИМ окажется на другой стороне, его можно преобразовать обратно в аналоговое напряжение.
Схема преобразует ШИМ-сигнал частотой 1 кГц в сигнал частотой 100 кГц с тем же коэффициентом заполнения (Рисунок 1). Этот 100-килогерцовый сигнал легко передается через изолирующий трансформатор. Затем он фильтруется, чтобы получить постоянное управляющее напряжение на изолированной стороне. IC2 – это управляемая напряжением микросхема широтно-импульсного модулятора LTC6992-2. Напряжение в диапазоне от 0 до 1 В на входе MOD изменяет коэффициент заполнения выходных импульсов от 5 до 95%. Коэффициент заполнения не достигает значений 0 или 100%, которые невозможно передать через трансформатор. Резистор RSET устанавливает частоту внутреннего задающего генератора равной 100 кГц. Напряжение на выводе DIV преобразуется внутренним 4-битным АЦП в цифровой код, задающим коэффициент деления внутреннего программируемого делителя частоты. При входе, закороченном на землю, коэффициент деления равен единице, и частота сигнала на выходе OUT равна частоте генератора микросхемы.
 |
|
| Рисунок 1. | Эта схема вырабатывает ШИМ-сигнал частотой 100 кГц из сигнала ШИМ 1 кГц, чтобы передать его через изолирующий трансформатор. На выходе получается интегрированное постоянное управляющее напряжение. |
Элементы R2 и C2 превращают усилитель IC1 в интегратор напряжения, который осуществляет следящее управление выводом MOD микросхемы IC2. Фильтр R1, C1 выделяет из входного сигнала постоянную составляющую. Интегратор сравнивает это значение со средним значением напряжения на выходе модулятора IC2, постоянная составляющая которого выделяется фильтром R3, C3. В результате коэффициент заполнения 100-килогерцового выходного сигнала поддерживается равным коэффициенту заполнения входного сигнала 1 кГц. Чтобы минимизировать джиттер коэффициента заполнения, постоянные времени этих фильтров должны быть намного больше периода тактовых импульсов. В этой схеме для ШИМ-сигнала 1 кГц используется цепочка с постоянной времени 500 мс, а для ШИМ-сигнала 100 кГц – цепочка с постоянной времени 1 мс. Амплитуды обоих сигналов должны быть одинаковыми для точного совпадения двух коэффициентов заполнения. По этой причине напряжение питания микросхемы IC2 должно быть таким же, как и у ШИМ-контроллера. Любое изменение напряжения питания влияет на каждый сигнал одинаково, что обеспечивает нечувствительность к колебаниям питающего напряжения.
Выход модулятора IC2 управляет первичной обмоткой изолирующего трансформатора, а компаратор IC3 формирует на изолированной стороне T1 прямоугольные импульсы ШИМ частотой 100 кГц. При необходимости этот выход можно использовать непосредственно в качестве цифрового управляющего сигнала. В этой схеме сигнал фильтруется RC-цепочкой с постоянной времени 1 мс, а затем буферизируется повторителем напряжения IC4, с выхода которого снимается аналоговое управляющее напряжение.
 |
|
| Рисунок 2. | Схема дает плавный экспоненциальный отклик на ступенчатое изменение коэффициента заполнения от 20 до 80%. Входной сигнал ШИМ фильтруется с постоянной времени 500 мс (желтая осциллограмма). Отфильтрованный изолированный сигнал 100 кГц точно соответствует входному сигналу (зеленая осциллограмма). |
Схема точно воспроизводит ступенчатое увеличение коэффициента заполнения входного сигнала ШИМ (Рисунок 2). Схема работает от источника питания 5 В. При изменении входного коэффициента заполнения от 20 до 80% среднее напряжение изменяется от 1 до 4 В. Низкая скорость изменения обусловлена фильтром с постоянной времени 500 мс, что является приемлемым сценарием в случаях, когда допустимо постепенное изменение изолированного сигнала управления. Скорость отклика можно увеличить за счет некоторого перерегулирования. Для решения этой задачи можно использовать прогнозирующую схему, описанную в более ранней статье [1]. Добавление прогнозирующей схемы к узлу X на Рисунке 1 увеличивает скорость установления конечного значения (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Прогнозирующая схема увеличивает скорость выходного отклика (зеленая осциллограмма). |
Чтобы воссоздать сигнал ШИМ частотой 1 кГц на изолированной стороне, добавляется еще одна управляемая напряжением микросхема широтно-импульсного модулятора, (Рисунок 4). Схема усилителя-интегратора IC6 используется для следящего регулирования коэффициента заполнения микросхемы IC7. Резистор RSETI программирует модулятор IC7 для работы на частоте 1 кГц с коэффициентом заполнения от 5 до 95%. Схема делает коэффициент заполнения выходного сигнала 1 кГц равным коэффициенту заполнения 100-килогерцового входного сигнала. Опять же, напряжение питания компаратора IC5 и устройства ШИМ должно быть одним и тем же. Чтобы минимизировать пульсации коэффициента заполнения, постоянную времени фильтра R2I и C2I следует установить равной 500 мс. К сожалению, такой подход увеличит время отклика восстановленного выходного сигнала. При воссоздании медленного ШИМ-сигнала использовать прогнозирующую схему нельзя, потому что медленный сигнал теперь является зависимой переменной в схеме, и быстрые скачки напряжения обратной связи приведут к тому, что контур регулирования будет постоянно пытаться устранить рассогласование, но окончательное значение никогда не установится. Вместо этого нужно на выходе сигнала 1 кГц использовать фильтр с постоянной времени 10 мс, чтобы получить разумное время отклика, а затем минимизировать пульсации коэффициента заполнения с помощью дополнительного низкочастотного фильтра из элементов R4I и C4I.
 |
|
| Рисунок 4. | Эта схема восстанавливает управляющий сигнал ШИМ 1 кГц на изолированной стороне. В ней не может использоваться прогнозирующая схема, но R4I и C4I обеспечивают дополнительную фильтрацию низких частот, помогая уменьшить джиттер на выходе. |
Обратите внимание, что сигнал обратной связи для интегратора IC1 на Рисунке 1 подается на инвертирующий вход, а для интегратора IC6 – на неинвертирующий вход. Если на неинвертирующий вход IC6 подать быстроизменяющийся сигнал, это приведет к значительному выбросу коэффициента заполнения выходного сигнала и длительному восстановлению. Для компенсации изменения полярности сигнала используется вывод DIV микросхемы IC2, на который подается соответствующее смещение.
Установка на выводе DIV напряжения, превышающего половину напряжения питания, изменяет полярность управления, в результате чего при увеличении напряжения, подаваемого на вывод MOD, коэффициент заполнения будет меняться от 95 до 5%. Теперь увеличение коэффициента заполнения сигнала 100 кГц снижает напряжение на выводе MOD и, соответственно, увеличивает коэффициент заполнения выходного сигнала 1 кГц.
Купить LT1719 на РадиоЛоцман.Цены
