Рис. 1. Структурная схема гальванической развязки видеосигнала.

УДК 622:658.011.56
Бабойцев Алексей Геннадиевич
бакалавр
кафедра Автоматизации и управления в технических системах
Московский государственный горный университет
ЗАЩИТА ВИДЕОВХОДА ОТ «ЗЕМЛЯНОЙ ПЕТЛИ»
PROTECTION OF THE VIDEO INPUT FROM THE "GROUND LOOP"
Качество изображения зависит от многих параметров, это и
элементная база видеоплаты, и программное обеспечение, отвечающее за
декодирование изображения, и безусловно, качество самого видео сигнала.
Идеального видеосигнала можно добиться в лабораторных условиях, а в
реальных условиях это сделать невозможно, но можно значительно
снизить уровень помех, вносимых различными источниками радиоволн, с
помощью гальванической развязки на базе оптрона. Также это
схемотехническое решение решит проблему с разностью уровня
потенциала «земли», которая получается, если контроллер и камера
запитаны от разных источников питания. Кроме того, гальваническая
развязка на базе оптрона может быть выполнена на плате самого
контроллера, что позволяет сэкономить место в корпусе контроллера и
сэкономить на дополнительных источниках питания для самой
гальванической развязки.
Для упрощения разработки гальванической развязки видеосигнала
условно разделю устройство на 2 части: фотопередатчик и фотоприемник.
Ниже приведена структурная схема разрабатываемого устройства, которое
будет обеспечивать гальваническую развязку видеосигнала и контроллера
«Р-09».
Рис. 1. Структурная схема гальванической развязки видеосигнала.
22
Расчет электрической схемы фотопередатчика.
Особенностью аналогового видеосигнала является широкий
диапазон рабочих частот – от 50 Гц до 6 МГц. Поэтому чтобы обеспечить
гальваническую развязку, необходимо использовать специальные оптроны.
Кроме этого на оптроны накладываются ограничения из технического
задания, а именно: рабочая температура от минус 40 0С до плюс 40 0С,
входной ток 13 мА, напряжение питания 5 В, выходное напряжение 1 В,
коэффициент нелинейных искажений 2%.
Учитывая все эти параметры, я пришел к выводу, что оптимальным
решением будет оптрон HCNW4562 компании AvagoTechnologies.
Таблица 1
Рабочая температура
Входной ток
Напряжение питания
Выходное напряжение
Коэффициент нелинейности
Полоса пропускания
-40 0С до +85 0С
25 мА
От -0,3 В до 30 В
От -0,3 В до 20 В
0,15 %
9 МГц
Рис. 2. Электрическая схема оптрона HCNW4562.
Расчет передатчика.
Прежде всего необходимо добиться того, чтобы входное
сопротивление разрабатываемого устройства было равно 75 Ом, т.к.
стандартное сопротивление кабеля видеосигнала равно 75 Ом.
В оптроне фотопередатчиком является фотодиод, который имеет
нелинейную зависимость светимости от напряжения, поэтому управлять
фотодиодом с помощью напряжения нецелесообразно. Светодиод имеет
линейную зависимость светимости от тока, поэтому для управления
фотодиодом необходим источник тока. В качестве источника тока
используется транзистор, включенный по следующей схеме:
23
Рис. 3. Схема простейшего транзисторного источника тока.
Основными требуемыми характеристиками транзистора являются
высокая граничная частота и малый обратный ток коллектора. Эти
требованиям вполне удовлетворяет транзистор КТ3130А.
Таблица 2.
КТ3130А Uкб0,
В
50
Uкэ0,
В
50
Iкmax,
мА
100
Ркmax,
Вт
0,1
h21э
100250
Iкбо,
мкА
0,1
fгр,
МГц
150
Кш,
Дб
10
Для уменьшения влияния нагрузки на работу источника тока
целесообразно использовать схему транзисторного источника тока с
общим эмиттером и отрицательной обратной связью по току.
Рис. 4. Схема транзисторного источника тока с отрицательной обратной
связью по току.
24
Для обеспечения коэффициента передачи по току близкому к
единице необходимо, чтобы входной ток светодиода при нулевом
напряжении на сигнальном проводе был равен 4÷5 мА. Приму Iк=4,5 мА.
𝑈
По правилу одной трети напряжение базы равно 𝑈б = п ≈ 1,7 В
3
𝑈э = 𝑈б − 0,7 = 1 В
(1)
Полагая Iк ≈ Iэ=4,5 мА находим сопротивление резистора Rэ.
𝑈
1
𝑅э = э =
= 222 Ом (220 Ом)
(2)
−3
𝐼э
4,5∗10
Номинал резистора выбирается из стандартных рядов номиналов
резисторов. Из этого ряда выбирается сопротивление 𝑅э равным 220 Ом.
Далее в расчетах номиналы сопротивлений из стандартных рядов будут
указаны в круглых скобках.
Ток делителя напряжения I1=0,1Iэ=0,45 мА. Входное сопротивление
делителя равно
𝑈п
5
𝑅1 + 𝑅2 =
=
= 11,1 кОм
𝐼1
0,45 ∗ 10−3
𝑅2
𝑈б =
𝑈 = 1,7
𝑅1 + 𝑅2 п
5𝑅2
= 1,7
11,1
11,1∗1,7
𝑅2 =
= 3,774 кОм(3,6 кОм)
(3)
5
𝑅1 = 7,326 кОм(7,5 кОм)
(4)
Таким образом получаем электрическую схему передатчика.
Рис. 5. Предварительная электрическая схема передатчика.
В схеме на рис. 5 не учтено то, что входное сопротивление
передатчика должно быть 75 Ом, поэтому необходимо добавить еще
1 резистор во входную цепь номиналом 75 Ом. Для обеспечения
термокомпенсации транзистора VT1 в цепь обратной связи включается
25
диод КД521. Для исключения возможности попадания обратного тока в
сигнал во входную цепь включается керамический конденсатор С1=0,1
мкФ. Но тогда на малой частоте (50 Гц) сопротивление конденсатора С1
будет равно:
1
1
ХС =
=
= 32 кОм
(5)
−6
2𝜋𝑓𝐶
2∗3,14∗50∗0,1∗10
Кроме того, на малой частоте керамические конденсаторы имеют
большой тангенс потерь, поэтому параллельно C1 включается
электролитический конденсатор С2 большей емкости. Возьмем С2=47
мкФ, тогда
1
1
ХС =
=
= 67 Ом
(6)
−6
2𝜋𝑓𝐶
2∗3,14∗50∗47∗10
Это сопротивление пренебрежимо мало по сравнению с входным
сопротивлением источника тока 3 кОм.
Итак, окончательный вид схемы передатчика приведен ниже.
Рис. 6. Электрическая схема фотопередатчика.
Расчет электрической схемы фотоприемника.
За основу фотоприемника возьму схему, рекомендованную
производителем оптрона HCNW4562 (рис. 7).
В схеме на рис. 7 транзистор VT1 находится в корпусе оптрона
HCNW4562, поэтому мне остается выбрать только транзисторы VT2, VT3
и VT4. Для оптимальной работы схемы нужны транзисторы, которые
могут работать на достаточно высокой частоте и выдерживают ток
коллектора порядка 30 мА. С этой задачей прекрасно справляются
транзисторы КТ368БМ.
26
Рис. 7. Рекомендованная схема фотоприемника.
Таблица 3.
КТ368БМ Uкб0, В Uкэ0, В Iкmax, мА Ркmax, Вт h21э
fгр, МГц
15
15
30
0,1
50-450 900
Эта схема не согласована с нагрузкой, поэтому надо добавить еще
один эмиттерный повторитель такой, чтобы выходное сопротивление
усилительного каскада было 75 Ом, т.к. контроллер «Р-09» рассчитан на
то, что входное сопротивление подключаемых к нему видеосигналов равно
75 Ом. В качестве оконечного каскада можно использовать транзистор
КТ3130А, который используется в фотопередатчика в качестве источника
тока для фотодиода.
Рис. 8. Схема фотоприемника с нормированным выходным
сопротивлением.
27
Фотопередатчик имеет начальный ток около 4,5 мА, соответственно
фотоприемник тоже имеет начальный постоянный ток. Чтобы избавиться
от начального постоянного тока, а также от постоянной составляющей
тока при наличии сигнала в выходную цепь надо включить конденсатор,
который сделает разрыв цепи для постоянного тока. Но надо не забывать,
что рабочий диапазон видеосигнала находится в пределах 50 Гц до 6 МГц,
а значит использовать один электролитический или один керамический
конденсатор нельзя, так как в первом случае будем иметь большой тангенс
потерь на высокой частоте, а во втором случае на низкой частоте. В такой
ситуации наиболее целесообразно включить оба конденсатора параллельно
друг другу, причем электролитический конденсатор должен иметь емкость
на порядок больше чем керамический. При таком включении
керамический конденсатор будет шунтировать электролитический на
высокой частоте (6 МГц), а на низкой частоте (50 Гц) электролитический
конденсатор будет шунтировать керамический.
В конечном итоге схема фотоприемника примет вид (рис. 9).
Рис. 9. Электрическая принципиальная схема фотоприемника.
Источники питания для фотопередатчика и фотоприемника должны
быть раздельными, иначе получится, что вход и выход разрабатываемого
устройства буду гальванически связаны по питанию. Кроме того, для
питания фотопередатчика нужен источник на 5 В, а для питания
фотоприемника – 9В.
В качестве источников питания целесообразно использовать DC-DC
преобразователи, так как это позволяет интегрировать разрабатываемое
устройство непосредственно на плату контроллера «Р-09».
DC-DC
преобразователи являются источниками высокочастотных помех, поэтому
необходимо использовать помехоподавляющие фильтры.
28
Рис 10. Принципиальная электрическая схема помехоподавляющего фильтра.
В состав помехоподавляющего фильтра (рис. 10) входят дроссель и
конденсаторы. Вносимое затухание в полосе пропускания характеризуется
падением напряжения на фильтре, которое не превышает 2% от
номинального напряжения, т.е. 5 В для фотопередатчика и 9 В для
фотоприемника.
Конденсатор С1 имеет малое сопротивление для высокочастотного
тока симметричной помехи и высокое сопротивление для тока источника.
Конденсаторы С2 и С3 нужны чтобы предотвратить попадание
несимметричных помех в разрабатываемое устройство. Обмотки дросселя
L1 имеют одинаковое число витков и включены таким образом, чтобы
создаваемые ими магнитные потоки компенсировались и не создавали
остаточную намагниченность магнитопровода. Конденсаторы C4, С5 и С6
снижают уровень высокочастотных помех от разрабатываемого устройства
в преобразователь.
Рис. 11. Принципиальная электрическая схема гальванической развязки
видеосигнала.
29
Литература.
1. Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: учеб.для
вузов / В.Г. Гусев. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 790 с.
2. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для
вузов / И.П. Степаненко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория
Базовых Знаний, 2003. – 488 с.: ил.
3. Техническая документация НПФ ООО «Сигма-ИС».
4. Дмитриева В.В. Практикум для семинаров и лабораторных
занятий по дисциплине «моделирование систем управления»: учеб.пособие
для вузов. – М.: Горная книга
5. Техническая документация на используемые транзисторы.
6. Четвертков И.И., Терехов В.М Резисторы. Справочник./
Четвертков И.И., Терехов В.М. – Издание 2-е, перераб. и доп. – М.: Радио и
связь, 1991.
Аннотация.
В статье изложена идея реализации защиты видеовхода от эффекта
«земляной петли». Для этого используется гальваническая развязка
видеовхода на основе оптрона. В статье представлены результаты расчетов
фотоприемника и фотопередатчика для реализации оптической развязки.
The article presents the idea of the protection of the video input on the
effect of the «ground loop». For this is used galvanic isolation input on the basis
of the optocoupler. The article presents the results of calculations of a
photodetector and phototransmitter for realization of optical isolation.
Ключевые слова.
видеовход,
«земляная
петля»,
гальваническая
развязка,
фотоприемника, фотопередатчика
video input, «ground loop», galvanic isolation, photodetector,
phototransmitter
30