JP2020150039A - Isolation amplifier employing photocoupler - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォトカプラを用いた絶縁アンプに関する。 The present invention relates to an insulated amplifier using a photocoupler.
「絶縁アンプ」は、入力部と出力部の間を絶縁したアンプであり、各接地間および各電源間も絶縁されている。例えば、異なる基準電位信号の検出、雑音混入防止、安全性確保等のために用いられる。 An "insulated amplifier" is an amplifier that insulates between an input unit and an output unit, and is also insulated between each ground and each power supply. For example, it is used for detecting different reference potential signals, preventing noise mixing, ensuring safety, and the like.
一方、フォトカプラは、その内部で電気信号と光信号の間の変換を行うことにより、電気的に絶縁しながら電気信号を伝達する周知の素子である。フォトカプラは、通常、入力部の発光素子として発光ダイオードが、出力部の受光素子としてフォトトランジスタが設けられている。 On the other hand, a photocoupler is a well-known element that transmits an electric signal while being electrically insulated by performing a conversion between an electric signal and an optical signal inside the photocoupler. A photocoupler is usually provided with a light emitting diode as a light emitting element of an input unit and a phototransistor as a light receiving element of an output unit.
フォトカプラを利用して絶縁アンプに相当する直線性を実現する回路も提案されている（特許文献１）。 A circuit that realizes linearity equivalent to an insulating amplifier by using a photocoupler has also been proposed (Patent Document 1).
絶縁アンプは、耐圧、直線性、温度特性、応答速度等が同時に求められるため、多数の補償回路を伴う複雑な構成を有し、高価でもある。フォトカプラは、安価であるが、電流伝達率（ＣＴＲ）が、必ずしも直線的ではなく、しかも周囲温度の影響を受けやすい。 Insulated amplifiers are required to have withstand voltage, linearity, temperature characteristics, response speed, etc. at the same time, and therefore have a complicated configuration with a large number of compensation circuits and are expensive. Optocouplers are inexpensive, but their click-through rate (CTR) is not always linear and is susceptible to ambient temperature.
本発明の目的は、直線性と温度特性が良好であり、かつ簡素な構成を有する絶縁アンプを提供することである。 An object of the present invention is to provide an insulated amplifier having good linearity and temperature characteristics and having a simple configuration.
上記の目的を達成するべく、本発明は、以下の構成を提供する。
・ 本発明の態様は、フォトカプラを用いた絶縁アンプであって、第１の入力端に入力電位が入力されかつ第２の入力端の電位を前記入力電位と同電位とするように出力端から所定の電流を出力する演算増幅器と、
前記演算増幅器の第２の入力端に接続された第１の抵抗と、
前記演算増幅器の出力端から出力される前記電流が各々の発光ダイオードに流れるように、各々の前記発光ダイオード同士が直列接続された第１のフォトカプラ及び第２のフォトカプラと、
前記第２のフォトカプラのフォトトランジスタの一端に接続された第２の抵抗とを有し、
前記第１のフォトカプラのフォトトランジスタの一端が前記演算増幅器の第２の入力端に接続されていることを特徴とする。
・ 上記態様において、前記第１のフォトカプラと前記第２のフォトカプラが、同じ電流伝達率を有しかつ互いに温度結合されていることが、好適である。
・ 上記態様において、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗が、同じ抵抗値を有することが、好適である。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following configurations.
An aspect of the present invention is an isolated amplifier using a photocoupler, and an output end is such that an input potential is input to the first input end and the potential of the second input end is the same as the input potential. An operational amplifier that outputs a predetermined current from
A first resistor connected to the second input end of the operational amplifier and
A first photocoupler and a second photocoupler in which the light emitting diodes are connected in series so that the current output from the output end of the operational amplifier flows through the light emitting diodes.
It has a second resistor connected to one end of the phototransistor of the second photocoupler.
One end of the phototransistor of the first photocoupler is connected to the second input end of the operational amplifier.
-In the above embodiment, it is preferable that the first photocoupler and the second photocoupler have the same current transmissibility and are temperature-coupled to each other.
-In the above embodiment, it is preferable that the first resistor and the second resistor have the same resistance value.
本発明により、直線性と温度特性が良好であり、簡素な構成を有する安価な絶縁アンプが実現される。 According to the present invention, an inexpensive insulated amplifier having good linearity and temperature characteristics and having a simple configuration is realized.
以下、例として示す図面を参照して本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings shown as examples.
＜回路構成＞
図１は、本発明によるフォトカプラを用いた絶縁アンプの回路構成を概略的に示している。図１に示す絶縁アンプ１０は、入力端子１、２の間に所定の入力電圧が入力され、出力端子３、４の間に出力電圧が出力される。入力端子２が、入力側の基準電位端である。出力端子４が、出力側の基準電位端である。絶縁アンプ１０は、入力側の基準電位端２と出力側の基準電位端４が絶縁され、また、入力側の電源Ｖｃｃ１と出力側の電源Ｖｃｃ２も絶縁されている。
<Circuit configuration>
FIG. 1 schematically shows a circuit configuration of an isolated amplifier using a photocoupler according to the present invention. In the
絶縁アンプ１０は、非反転入力端（＋）である第１の入力端と、反転入力端（−）である第２の入力端（−）と、出力端とを有する演算増幅器Ａを有する。演算増幅器Ａは、電源Ｖｃｃ１と基準電位端２の間の電圧により、電源供給される。非反転入力端（＋）は、入力端子１に接続されている。したがって、非反転入力端（＋）の電位は入力電位である。反転入力端（−）には、抵抗Ｒ１の一端が接続されている。抵抗Ｒ１の他端は基準電位端２に接続されている。
The
演算増幅器Ａの出力端には、第１のフォトカプラＰＣ１と第２のフォトカプラＰＣ２が接続されている。具体的には、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の各々の入力側の発光ダイオードが順方向に直列接続されており、フォトカプラＰＣ１の発光ダイオードのアノードが演算増幅器Ａの出力端に接続されている。そして、フォトカプラＰＣ２の発光ダイオードのカソードは、抵抗Ｒ３を介して基準電位端２に接続されている。抵抗Ｒ３は、必須ではないが動作の安定性のために設けられている。
A first photocoupler PC1 and a second photocoupler PC2 are connected to the output end of the operational amplifier A. Specifically, the light emitting diodes on the input sides of the photocouplers PC1 and PC2 are connected in series in the forward direction, and the anode of the light emitting diode of the photocoupler PC1 is connected to the output terminal of the operational amplifier A. The cathode of the light emitting diode of the photocoupler PC2 is connected to the
フォトカプラＰＣ１の出力側のフォトトランジスタは、コレクタが電源Ｖｃｃ１に、エミッタが演算増幅器Ａの反転入力端（−）に接続されている。 In the phototransistor on the output side of the photocoupler PC1, the collector is connected to the power supply Vcc1 and the emitter is connected to the inverting input end (−) of the operational amplifier A.
フォトカプラＰＣ２の出力側のフォトトランジスタは、コレクタが電源Ｖｃｃ２に、エミッタが抵抗Ｒ２の一端に接続されている。抵抗Ｒ２の一端は、出力端子３でもあり、他端は基準電位端４である。なお、抵抗Ｒ２は、抵抗Ｒ１と同じ抵抗値に設定されている。 In the phototransistor on the output side of the photocoupler PC2, the collector is connected to the power supply Vcc2 and the emitter is connected to one end of the resistor R2. One end of the resistor R2 is also the output terminal 3, and the other end is the reference potential end 4. The resistor R2 is set to the same resistance value as the resistor R1.
図示しないが、別の実施例として、フォトカプラＰＣ１とフォトカプラＰＣ２の位置は入れ替えてもよい。すなわち、フォトカプラＰＣ２の発光ダイオードのアノードが演算増幅器Ａの出力端に接続され、フォトカプラＰＣ１の発光ダイオードのカソードが抵抗Ｒ３に接続されていてもよい。 Although not shown, as another embodiment, the positions of the photocoupler PC1 and the photocoupler PC2 may be interchanged. That is, the anode of the light emitting diode of the photocoupler PC2 may be connected to the output end of the operational amplifier A, and the cathode of the light emitting diode of the photocoupler PC1 may be connected to the resistor R3.
＜回路動作＞
図２は、図１の回路に流れる電流を概略的に示している。図２を参照して、図１の絶縁アンプ１０の動作を説明する。
<Circuit operation>
FIG. 2 schematically shows the current flowing through the circuit of FIG. The operation of the
入力端子１と入力端子（基準電位端）２の間に入力電圧Ｖｉｎが印加される。なお、演算増幅器Ａの動作点は、電源Ｖｃｃ１と基準電位端２の中間電位とする。
An input voltage Vin is applied between the input terminal 1 and the input terminal (reference potential end) 2. The operating point of the operational amplifier A is an intermediate potential between the power supply Vcc1 and the
演算増幅器Ａの非反転入力端（＋）の基準電位端２に対する電位は、Ｖｉｎである（便宜上、電圧と電位を同じ符号で表す）。演算増幅器Ａは、非反転入力端（＋）と反転入力端（−）の電位を同電位とするように動作する。その結果、演算増幅器Ａの出力端から所定の電流ｉ１が出力される。電流ｉ１は、フォトカプラＰＣ１とフォトカプラＰＣ２の各々の直列接続された２つの発光ダイオードを流れる。
The potential of the non-inverting input end (+) of the operational amplifier A with respect to the
電流ｉ１に応じて、フォトカプラＰＣ１とフォトカプラＰＣ２の各々のフォトトランジスタに電流ｉ２と電流ｉ３がそれぞれ流れる。フォトカプラＰＣ１とフォトカプラＰＣ２は、電流伝達率（ＣＴＲ：Current Transfer Ratio）及びその温度変動が同じであり、かつ、温度結合されている。２つの素子の温度結合は、例えば、２つの素子を接着等により互いに密接させることで行うことができる。したがって、フォトカプラＰＣ１とフォトカプラＰＣ２に同じ電流ｉ１が入力されたときに、それぞれの出力する電流ｉ２と電流ｉ３は同じになる。 Depending on the current i1, the current i2 and the current i3 flow through the phototransistors of the photocoupler PC1 and the photocoupler PC2, respectively. The photocoupler PC1 and the photocoupler PC2 have the same current transfer ratio (CTR) and their temperature fluctuations, and are temperature-coupled. The temperature coupling of the two elements can be performed, for example, by bringing the two elements into close contact with each other by adhesion or the like. Therefore, when the same current i1 is input to the photocoupler PC1 and the photocoupler PC2, the output currents i2 and the currents i3 are the same.
フォトカプラＰＣ１の出力する電流ｉ２は、演算増幅器Ａの反転入力端（−）に接続された抵抗Ｒ１を流れる。電流ｉ２が流れることにより生じる抵抗Ｒ１の一端の電位は、反転入力端（−）の電位でもある。演算増幅器Ａは、反転入力端（−）の電位が、非反転入力端（＋）の電位Ｖｉｎと同電位となるように、出力端の電流ｉ１を調整する。電流ｉ２は、負帰還制御電流の役割を果たしている。このような演算増幅器Ａの動作によって、抵抗Ｒ１の両端電圧は、入力電圧Ｖｉｎと同じになる。 The current i2 output by the photocoupler PC1 flows through the resistor R1 connected to the inverting input end (−) of the operational amplifier A. The potential at one end of the resistor R1 generated by the flow of the current i2 is also the potential at the inverting input end (−). The operational amplifier A adjusts the current i1 at the output end so that the potential at the inverting input end (−) becomes the same potential as the potential Vin at the non-inverting input end (+). The current i2 plays the role of a negative feedback control current. By such an operation of the operational amplifier A, the voltage across the resistor R1 becomes the same as the input voltage Vin.
一方、電流ｉ２と同じ大きさの電流ｉ３は、電源Ｖｃｃ２からフォトカプラＰＣ２のフォトトランジスタを流れ、さらに抵抗Ｒ２を流れる。電流ｉ３が流れることにより抵抗Ｒ２の両端に出力電圧Ｖｏが生じる。 On the other hand, the current i3 having the same magnitude as the current i2 flows from the power supply Vcc2 through the phototransistor of the photocoupler PC2, and further flows through the resistor R2. When the current i3 flows, an output voltage Vo is generated across the resistor R2.
以上をまとめると、入力側の抵抗Ｒ１の両端電圧Ｖｉｎは、Ｖｉｎ＝Ｒ１×ｉ２であり、出力側の抵抗Ｒ２の両端電位Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｒ２×ｉ３である。ここで、Ｒ１＝Ｒ２、ｉ２＝ｉ３であるので、Ｖｏ＝Ｖｉｎとなり、入力電圧と出力電圧の大きさは一致する。これにより、入力と出力の直線性が確保される。絶縁アンプ１０における入力側と出力側の絶縁は、実質的にフォトカプラＰＣ２により得られている。フォトカプラＰＣ１は、演算増幅器Ａの負帰還の機能を担っている。
To summarize the above, the voltage Vin across the resistor R1 on the input side is Vin = R1 × i2, and the potential Vo across the resistor R2 on the output side is Vo = R2 × i3. Here, since R1 = R2 and i2 = i3, Vo = Vin, and the magnitudes of the input voltage and the output voltage match. This ensures the linearity of the input and output. The insulation between the input side and the output side in the
例えば、入力電圧Ｖｉｎが大きくなる（非反転入力端（＋）の電位が高くなる）と、出力端の電流ｉ１が増加し、それに応じて電流ｉ２も増加するので、抵抗Ｒ１の両端電圧が大きくなる（反転入力端（−）の電位が高くなる）。同時に、電流ｉ２と同じ大きさである電流ｉ３も増加し、抵抗Ｒ２の両端電圧である出力電圧Ｖｏが大きくなる。逆の場合も同様である。 For example, when the input voltage Vin increases (the potential at the non-inverting input end (+) increases), the current i1 at the output end increases, and the current i2 also increases accordingly, so that the voltage across the resistor R1 increases. (The potential at the inverting input end (-) increases). At the same time, the current i3, which has the same magnitude as the current i2, also increases, and the output voltage Vo, which is the voltage across the resistor R2, increases. The same is true in the opposite case.
また、周囲温度が変動してフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の電流伝達率が変動した場合も、演算増幅器Ａの上記の負帰還動作により、Ｖｉｎ＝Ｖｏの関係は常に維持される。これは、フォトカプラＰＣ１とフォトカプラＰＣ２が、電流伝達率及びその温度変動が同じでありかつ温度結合されていることにより実現される。したがって、一般的な絶縁アンプのように、サーミスタ等の特殊な素子を用いて温度補償する必要が無い。 Further, even when the ambient temperature fluctuates and the current transmission rates of the photocouplers PC1 and PC2 fluctuate, the Vin = Vo relationship is always maintained by the above-mentioned negative feedback operation of the operational amplifier A. This is realized by the fact that the photocoupler PC1 and the photocoupler PC2 have the same current transmissibility and their temperature fluctuations and are temperature-coupled. Therefore, unlike a general insulation amplifier, it is not necessary to compensate the temperature by using a special element such as a thermistor.
図１に示した絶縁アンプ１０は、汎用的な素子を用いた極めて簡易な構成により、良好な直線性及び温度特性を実現することができる。
The
別の実施形態として、図３に示すように、図１に示した絶縁アンプ１０を、複数直列接続することにより、数十ｋＶの高電圧における絶縁も可能となる。
As another embodiment, as shown in FIG. 3, by connecting a plurality of the insulating
また、本発明の絶縁アンプ１０は、高速応答性を有する演算増幅器Ａ及びフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２を選択することにより、直流〜数ＭＨｚの広帯域に対応することが可能である。
Further, the
以上に説明した本発明の絶縁アンプの構成は、図示の例に限られず、本発明の主旨に沿う範囲において多様な変形が可能である。 The configuration of the insulated amplifier of the present invention described above is not limited to the illustrated example, and various modifications can be made within a range in line with the gist of the present invention.
１、２ 入力端子
３、４ 出力端子
１０ 絶縁アンプ
Ａ 演算増幅器
＋ 非反転入力端
− 反転入力端
ＰＣ１、ＰＣ２ フォトカプラ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 抵抗
1, 2 Input terminal 3, 4
Claims (3)
前記演算増幅器の第２の入力端に接続された第１の抵抗と、
前記演算増幅器の出力端から出力される前記電流が各々の発光ダイオードに流れるように、各々の前記発光ダイオード同士が直列接続された第１のフォトカプラ及び第２のフォトカプラと、
前記第２のフォトカプラのフォトトランジスタの一端に接続された第２の抵抗とを有し、
前記第１のフォトカプラのフォトトランジスタの一端が前記演算増幅器の第２の入力端に接続されていることを特徴とする、フォトカプラを用いた絶縁アンプ。 An arithmetic amplifier that inputs an input potential to the first input end and outputs a predetermined current from the output end so that the potential of the second input end is the same as the input potential.
A first resistor connected to the second input end of the operational amplifier and
A first photocoupler and a second photocoupler in which the light emitting diodes are connected in series so that the current output from the output end of the operational amplifier flows through the light emitting diodes.
It has a second resistor connected to one end of the phototransistor of the second photocoupler.
An isolated amplifier using a photocoupler, characterized in that one end of a phototransistor of the first photocoupler is connected to a second input end of the operational amplifier.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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