JPH0143482B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気信号絶縁器、すなわち、他のあら
ゆる部分から電気的に絶縁されている入力部分を
有する絶縁増幅器に関するものである。より詳細
には、本発明は、入力部分に付勢電力を供給する
機能と出力部分へ信号情報を搬送する機能の二重
の機能を果たす単一の変圧器により、入力部分と
出力部分とが結合されているような絶縁器に関す
るものである。

工業プロセス制御システムの測定信号を発生す
るため、また人体において医学的測定を行なう場
合等々の応用用途に対して非常に様々の絶縁器が
過去に使用されてきた。このような絶縁器の多く
は、絶縁器の入力部分と出力部分との間に不導結
合を生じさせるために単一の変圧器を使用してい
た。たとえば、米国特許第3988690号はこのよう
な単一の変圧器が３つの別々の巻線を含むような
構成を示している。このような配置においては、
変圧器を介して入力部分によつて取出される電力
は印加される入力信号に従つて変化し、この電力
の変化が出力で検出されて対応する出力信号を発
生する。

米国特許第4066974号は２つの巻線のみに限定
される、すなわち単一の一次巻線と単一の二次巻
線に限定される変圧器を使用する構成を目指して
いる。二次巻線は直流電圧と高インピーダンスに
交互に接続される。直流電圧に接続されるとき
は、変圧器を介して付勢電力を結合して入力部分
において直流電源電圧を発生し、これに続いて高
インピーダンスに接続されると、入力部分に印加
される信号により変調される反対極性のフライバ
ツクパルスを発生する。フライバツクパルスの振
幅が出力部分において検出されて対応する出力信
号を発生する。米国特許第4152660号に記載され
ているこれに続く開発により、変圧器において直
流電力パルスを利用して、出力部分において増幅
器回路構成部分を付勢給電するために出力部分で
安定直流電圧を発生するという概念が米国特許第
4066974号に対し付け加えられた。

上述の特許に記載されているような装置に関す
る経験により、特に、温度変化に伴う出力信号の
変動、入力と出力との間の関係の非直線性、およ
び温度に伴う利得の変化等の性能特性に関してこ
れらの装置のすべてが重大な欠点を備えているこ
とがわかつた。

本発明の主な目的は、交番する電力パルスとフ
ライバツクパルスを利用するタイプの改良された
変圧器結合信号絶縁器を提供することである。本
発明のさらに別の目的は、製造に比較的費用がか
からず、しかも動作が確実であるような絶縁器を
提供することである。

本発明の電気信号絶縁器は、基本的には、入力
部分および出力部分と、前記入力部分と出力部分
とを結合する第１および第２巻線手段を有する１
つの変圧器と、前記入力部分の一部を形成して入
力信号を受ける第１増幅器と、前記出力部分の一
部を形成して出力信号を発生する第２増幅器と、
前記変圧器の巻線手段において電力パルスとこれ
に続くフライバツクパルスとから成る交番パルス
信号を発生する手段とを含む 更に、前記巻線手段の一方に結合されて、前記
第１増幅器に印加される入力信号に従つて前記フ
ライバツクパルスの振幅を変調するダイオード／
コンデンサ回路と、前記フライバツクパルスに応
答して前記ダイオード／コンデンサ回路のコンデ
ンサにおいて直流電圧を発生する手段とを備え
る。

前記印加入力信号に従つて変化する前記増幅器
に対する供給電流を前記直流電圧から引き出すこ
とにより、前記ダイオード／コンデンサ回路が前
記フライバツクパルスの振幅を変調するように作
動することを特徴とする。

この構成によると、絶縁器の入力側の第１増幅
器への供給電源電圧が、変圧器巻線に生じる伝送
パルスのフライバツクパルスをダイオード／コン
デンサ回路で整流することにより形成される。第
１増幅器の入力信号に対応した電源供給電流が供
給電源電圧から流出すると、これがダイオード／
コンデンサ回路及び変圧器の負荷となつて、結果
として、フライバツクパルスの振幅を変調する。
変圧器の２次側において、フライバツクパルスを
整流することにより、入力信号に対応した伝送出
力が得られる。従つてダイオード／コンデンサ回
路が、整流電圧供給回路及び変調器として作用す
るので、追加の変調用トランジスタ等が不要にな
り、回路構成が著しく簡単になる。以下の実施例
において、ダイオード／コンデンサ回路は、整流
回路３０として示され、整流電圧供給回路又は変
調器とも称されている。

以下、本発明を実施例に基いて説明する。

本発明の実施例においては、絶縁器回路におい
て、或る選択された相互に対応する直流信号どう
しの変動について固有整合を生じさせる独特の回
路配置により、性能が著しく改良されている。こ
こで説明するタイプの絶縁器は、比較的高い電圧
どうしが互に減算的な対となるように接続され
て、その結果差異電圧を発生するような構成を利
用している。このような配置においては、相反す
る電圧の小さい不均等な変動により正味の差電圧
に比較的パーセンテージの高い変化を生じさせる
可能性があり、結果的に、たとえば周囲温度の変
化により絶縁器の出力において過度に誤りを生じ
る原因となる。しかしながらこのような変動は、
絶縁器において選択された対を成す直流信号どう
しが互いに密接に追従変化するのを保障し、それ
により差動効果を最小限に抑え、特に温度変化に
伴う絶縁器の性能の変化を減少させるような簡略
化した整合回路構成を使用することによりかなり
減少できることがわかつた。

第１図を参照すると、本発明による現在好まし
絶縁器は、１つの単巻巻線と５つの独立した８巻
巻線とを有する変圧器１４により結合された入力
部分１０と出力部分１２を具備している。出力部
分１２は、全体として１６で示してある非安定誘
導結合ブロツキング発振器を含む。この発振器
は、ベースが単巻巻線２０に接続し且つコレクタ
が８巻巻線２２に接続しているトランジスタ１８
を具備している。

第１図の変圧器１４のすぐ上に図示した波形に
示されているように、ブロツク発振器のサイクル
は電源電圧により発生する正の「オン」パルス
と、これに続く、発振器内でクランプされない負
の「フライバツク」パルスとを含んでいる。以下
に説明する通り、フライバツクパルスの大きさは
絶縁器の入力部分１０に印加される入力信号に従
つて変調される。

発振器のオン時間は変圧器の飽和特性、すなわ
ち時間対飽和の関数であり、一方オフ時間はRC
時定数の関数である。好ましい配置においては、
発振器の周波数は約200KHzであり、「オン」時間
は0.5マイクロ秒、「オフ」時間は4.5マイクロ秒
であつた。適切な飽和特性は「フエロツクスキユ
ーブ3C8（商標）」フエライト製コアにより得られ
た。

絶縁器の入力部分１０内には、変圧器１４に結
合する４つの半波整流回路３０，３２，３４，３
６がある。これらの整流回路は各々フイルタコン
デンサと直列に接続するダイオードから構成され
ている。これらの整流回路のうち３つ３０，３
２，３４は単一の変圧器巻線３８の両端に接続さ
れているが、第４整流回路３６は別の変圧器巻線
４０の両端に接続されている。整流回路のうち２
つ３０，３４は、ブロツキング発振器１６により
変換器内で発生する負の「フライバツク」パルス
に応答するような極性を与えられている。他の２
つの整流回路３２，３６は反対極性であり、発振
器の出力波形の正の「オン」電力パルスに応答す
る。すべての整流回路は各々のフイルタコンデン
サの両端に、その整流回路が応答するべく極性を
与えられているいずれかのパルス（フライバツク
または電力）の振幅に対応する直流電圧を発生す
る。

第２半波整流回路３０のフイルタコンデンサ４
２の両端で発生する負の直流電圧は、演算増幅器
４４の負の電源供給端子、たとえば308型と称さ
れて従来より多数の会社により製造されている
ICチツプに印加される。この増幅器の正の供給
端子は第２整流回路３２のフイルタコンデンサ４
６の両端で発生する正の直流電圧（約15ボルト）
を受ける。増幅器の入力４８は抵抗器（100Kオ
ーム）を介して絶縁器の入力端子に接続され、印
加される入力信号を受信する。増幅器の出力端子
５２はコンデンサ５４を介して増幅器の入力４８
に戻るように接続されて、システムの周波数補償
を行なう。出力端子５２はまた、小さな抵抗器５
６（470オーム）により入力共通線路５８に接続
されて、コンデンサ５４を介する所望の交流帰還
を調整すると共に、実質的に共通の電位の方向に
増幅器の出力を介する負の直流供給電流帰還路を
形成する。

増幅器に印加される入力信号が変化するにつれ
て、負の整流電圧供給回路３０から取出される直
流供給電流がこれに対応して変化する。この整流
回路から取出される供給電流は発振器１６のフラ
イバツクストロークに負荷を与えて下げ、その結
果これに対応して、供給電流の変化によりフライ
バツクパルスの振幅を変調する（第１図に示した
波形の点線により表わされている）。このように
整流回路３０は印加される入力信号の制御を受け
て変調器として機能する。負の供給電流が変換器
３０に対する負荷を変化させるために使用される
この配置により、増幅器の出力信号により駆動さ
れる別の追加の変調トランジスタを使用する必要
がなくなる。

第３半波整流回路３４は増幅器４４の正の電源
供給端子に帰還する抵抗器６０（220Kオーム）
により負荷を与えられており、変圧器１４内の変
調されたフライバツクパルスの振幅に比例する負
の直流電圧を発生する。すなわち、整流回路３４
は変調回路３０により制御されてフライバツクパ
ルスの振幅を復調する。第３整流回路３４により
発生する負の直流電圧は増幅器４４の負のフイー
ドバツクパルスとして使用され、増幅器の入力信
号と第１整流回路３０により発生する変調信号と
を一致させる。

この帰還信号が確実に増幅器４４の入力回路に
対して正確な電圧レベルにあるようにするため
に、第３整流回路３４からの負の直流信号は第４
半波整流回路３６により発生する正の直流レベル
移動電圧（約15ボルト）と直列に接続される。こ
の整流回路は、フイルタコンデンサの両端に直接
接続されている抵抗器６２（100Kオーム）によ
り負荷を与えられている。２つの整流回路３４，
３６により発生される結合した電圧信号は帰還抵
抗器６４（240K）を介して増幅器の入力６６に
接続されている。この帰還構成により、変調整流
回路３０から取出される増幅器の負の供給電流
は、２つの上方整流回路３４および３６により発
生する電圧の合計が絶縁器の入力電圧と等しくな
るように、フライバツクパルスを正確な振幅にク
ランプすべく自動的に制御される。

上述のような絶縁器は入力部分１０において１
の利得を有する。しかしながら、絶縁器は入力部
分が１より大きい利得を発生することができるよ
うに構成されている。これは、利得端子７０と入
力共通線５８との間に外部抵抗器（図示せず）を
接続することにより制御される。このように接続
すると、増幅器の利得は帰還抵抗器６４と外部抵
抗器の抵抗の比に比例するようになる。

上述のような配置において、変調回路３０と復
調回路３４が同一の変圧器巻線３８に結合されて
いる点に特に注意すべきである。これらの回路の
双方に対して同じ巻線を使用すると、性能に何等
不利な影響を与えずに絶縁器を経済的に構成でき
ることがわかつた。

また、直流レベル移動電圧回路（整流回路）３
６が変調／復調巻線３８とは全く別の変圧器巻線
４０により付勢される点に特に注意すべきであ
る。このような配置は、対応する整流回路３４か
らの帰還信号とは無関係にレベル移動電圧を発生
することができるので特に有利である。本実施例
のように、このように独立した信号発生は帰還信
号の発生に使用したものと同型の回路、たとえば
ダイオードとコンデンサから構成される基本的に
単純な直列接続半波整流／フイルタ回路により行
なうことができる。このことは、結果的に、温度
の変化に追従しなければならない構成部品の数を
最小限に抑える。

このように変量に追従させる構成部品をわずか
な基本的要素のみに減小させることにより、また
減算的に結合すべき２つの電圧を発生するために
同一の回路構成を使用することにより、温度に起
因するドリフトの影響は著しく減少し、そのため
より、精度が上がる。さらに、このように簡単な
部品数の少ない回路を使用すると、同時に絶縁器
の製造コストが低減される。

次に絶縁器の出力部分１２について述べる。変
圧器１４は、入力部分１０の２つの巻線３８およ
び４０と全く同様のものである２つの別の８巻巻
線８０および８２を含む。これらの別の巻線の一
方８０は、入力部分におけるダイオード／コンデ
ンサ復調回路３４と全く相対するものであり且つ
ダイオード／コンデンサ変調回路３０により制御
されて帰線パルスの大きさに比例する負の直流電
圧を発生するダイオード／コンデンサ半波整流回
路８６を駆動する。

整流回路８６からこの負の復調電圧は別のダイ
オード／コンデンサ整流回路８８（整流回路３６
に直接対応する）からの固定値の正の直流バイア
ス電圧（たとえば約15ボルト）と直列に接続され
且つ残りの巻線８２に結合されている。これらの
信号の減算的結合により、絶縁器の出力信号を発
生する増幅器９０（たとえば308型）に対する適
切なレベルの直流入力信号を発生する。

下方の変換器巻線８０は、また、入力部分の整
流回路３２により発生する電圧に対応する固定レ
ベル直流電圧を発生する補助ダイオード／コンデ
ンサ回路９４を付勢する。出力部分におけるこの
固定レベル電圧は出力復調整流回路８６の負荷抵
抗器９６（220K）に対する基準電圧として用い
られ、それによりこの復調回路が帰還復調回路３
４と同一の状態で動作し、その結果２つの復調信
号が互いに密接にトラツキングするようにしてい
る。

負荷抵抗器９８（100K）はバイアス電圧整流
回路８８のフイルタコンデンサの両端に結合さ
れ、入力部分１０のレベル移動整流回路３６と対
応するようにはたらく。組合わせられた復調信号
とバイアス電圧信号は入力抵抗器１００（100K）
を介して増幅器９０の入射端面１０２へ導かれ
る。この増幅器の外部回路は図示の通り、また適
切なフイルタと補償コンデンサとを含む。

本発明の好ましい実施例を詳細に開示してきた
が、これは本発明を実例により説明するためのも
のであり、当業者により特定の応用用途に適合す
るように多くの変更を行なうことができるのは明
らかであるので、本発明の範囲を必ずしも限定す
るものとして解釈するべきではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい実施例の回路図であ
る。なお図面に用いた符号において、 １０……入力部分、１２……出力部分、１４…
…変圧器、１６……非安定誘導結合ブロツキング
発振器、１８……トランジスタ、２０……単巻巻
線、２２，８０，８２……８巻巻線、３０……第
１半波整流回路、３２……第２半波整流回路、３
４……第３半波整流回路、３６……第４半波整流
回路、３８，４０……変圧器巻線、４２，４６…
…フイルタコンデンサ、４４……演算増幅器、４
８，６６……増幅器の入力、５０……絶縁器の入
力端子、５２……増幅器の出力端子、５４……コ
ンデンサ、５６，６０，６２……抵抗器、５８…
…入力共通線、６４……帰還抵抗器、７０……利
得端子、８６，８８……ダイオード／コンデンサ
半波整流回路、９０……増幅器、９４……補助ダ
イオード／コンデンサ回路、９６，９８……負荷
抵抗器、１００……入力抵抗器、１０２……増幅
器９０の入力端子である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入力部分および出力部分と、前記入力部分と
   出力部分とを結合する第１および第２巻線手段を
   有する１つの変圧器と、前記入力部分の一部を形
   成して入力信号を受ける第１増幅器と、前記出力
   部分の一部を形成して出力信号を発生する第２増
   幅器と、前記変圧器の巻線手段において電力パル
   スとこれに続くフライバツクパルスとから成る交
   番パルス信号を発生する手段とを含む電気信号絶
   縁器において、 前記巻線手段の一方に結合されて、前記第１増
   幅器に印加される入力信号に従つて前記フライバ
   ツクパルスの振幅を変調するダイオード／コンデ
   ンサ回路と、前記フライバツクパルスに応答して
   前記ダイオード／コンデンサ回路のコンデンサに
   おいて直流電圧を発生する手段とを備え、 前記印加入力信号に従つて変化する前記増幅器
   に対する供給電流を前記直流電圧から取出すこと
   により、前記ダイオード／コンデンサ回路が前記
   フライバツクパルスの振幅を変調するように作動
   することを特徴とする電気信号絶縁器。