一種實(shí)用的線性隔離檢測電路
電源技術(shù)>>標(biāo)準(zhǔn)與測試>>一種實(shí)用的線性隔離檢測電路

摘 要: 提出一種有隔離功能并且可以用來檢測反饋直流電壓、電流信號(hào)的電路,此電路可以代替精密線性光耦合器TIL300.在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了此電路具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、線性度好、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn).


關(guān)鍵詞: 隔離放大器光電耦合器


正文:
  1引言
  隨著電源技術(shù)的發(fā)展,電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)中越來越廣泛地使用開關(guān)電源、UPS等電源設(shè)備.這些設(shè)備無一例外地要檢測主電路的電壓、電流信號(hào).檢測電路是主電路與控制電路的接口,是電源設(shè)備必不可少的一個(gè)重要組成部分.檢測電路必須滿足如下幾方面的要求:
  (1)要有很高的精度和線性度.現(xiàn)代電源為了達(dá)到很高的穩(wěn)壓穩(wěn)流精度并具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,大多都引入電壓電流參與系統(tǒng)的反饋控制.檢測電路的精度和線性度,在某種程度上決定了整個(gè)電源的輸出精度和穩(wěn)定性.
  (2)必須具有隔離功能.大多數(shù)電源的主電路和控制電路之間在電氣上相互絕緣.否則電源會(huì)由于主電路對控制電路的干擾而不能正常工作,甚至?xí)＜罢{(diào)試人員的人身安全.
  目前,市場上有許多隔離傳感器供用戶使用,如隔離放大器(TPS5904,AD202)、電壓霍爾、電流霍爾等.在上述器件中,AD202、霍爾元件有性能好、可靠性高、測量精確、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn).但它昂貴的價(jià)格卻使大多數(shù)使用者望而卻步,TPS5904雖然價(jià)格比較便宜,但相對來講,線性度較差.只有TI公司的TIL300精密線性光耦,可以很精確地檢測直流信號(hào),隔離效果好,價(jià)格又便宜.因此,許多設(shè)計(jì)人員在選擇器件時(shí)都偏重于選擇TIL300作為檢測、反饋直流電壓、電流用的檢測元件.
  但是,隨著TIL300生產(chǎn)線的停產(chǎn),以前使用TIL300的用戶不得不選擇其它器件,而目前電子元器件市場上又沒有其它價(jià)格、性能可與TIL300相媲美的元件,這就給使用者帶來很大不便.本文基于此現(xiàn)狀,提出了一種可以代替TIL300的檢測電路.該電路使用普通光耦,應(yīng)用反饋控制原理,具有價(jià)格便宜,線性度好的特點(diǎn),在一定程度上可以替代原有的TIL300.

  2TIL300簡介[1]
  TIL300精密線性光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示.
  TIL300精密線性光耦合器是由一個(gè)紅外光LED照射分叉配置的一個(gè)隔離反饋光二極管和一個(gè)輸出光二極管組成,反饋光二極管吸收LED光通量的一部分而產(chǎn)生控制信號(hào),該控制信號(hào)可通過一個(gè)調(diào)節(jié)電路來調(diào)節(jié)LED的驅(qū)動(dòng)電流,最終使得LED發(fā)出的光通量滿足輸入信號(hào)和反饋信號(hào)相等.TIL300精密線性光耦合器是以電流方式工作的,在一定輸入電流范圍內(nèi),它的電流傳輸比保持不變,此時(shí)輸出光二極管產(chǎn)生的電流信號(hào)與反饋光二極管產(chǎn)生的電流信號(hào)成線性比例,所以輸出信號(hào)與輸入信號(hào)成一定的線性比例關(guān)系.





圖1 TIL300結(jié)構(gòu)示意圖


  3檢測電路
  3.1電路結(jié)構(gòu)
  本文提出的檢測電路如圖2所示.
  檢測電路主要由兩個(gè)普通光電耦合器、兩個(gè)運(yùn)放和電阻、電容構(gòu)成.兩個(gè)光電耦合器可以起到TIL300中隔離反饋光二極管和輸出光二極管的作用.其中一個(gè)用作輸出,另一個(gè)作為反饋,反饋是用來補(bǔ)償發(fā)光二極管時(shí)間、溫度特性的非線性.為了保證輸出光二極管產(chǎn)生的輸出信號(hào)與LED發(fā)出的伺服光通量呈線性比例,在選擇器件時(shí),兩個(gè)光耦合器的特性應(yīng)盡量保持一致.輸出端所接的電壓跟隨器是為了保證輸出電壓的穩(wěn)定性.
  3.2工作原理分析
  由圖2可知:輸出電流、輸出電壓的表達(dá)式分別為:
  I3=K3I1(1)
  UO=R3I3=K3R3I1(2)
  反饋電流為:I2=K2I1(3)
  式(1)、(2)、(3)中K3、K2分別為電路中兩個(gè)光耦的電流傳輸比(非線性).兩個(gè)光耦的特性近似一致,可認(rèn)為K2=K3,也即I2=I3.
  此電路的工作原理如下:
  在檢測電路調(diào)節(jié)過程中,UI有兩種變化趨勢,當(dāng)輸入電壓UI升高時(shí),有UI>R2I2,導(dǎo)致運(yùn)放輸出端電壓升高,通過發(fā)光二極管的電流I1也隨之增大,由于I2=K2I1,I3=KI1,I2、I3也增大,最終調(diào)節(jié)的結(jié)果是UB=UA=UI,又因?yàn)镮2=I3,因此輸出電壓UO與輸入電壓UI相等,UO隨著UI的增大而線性增大.
  反之,當(dāng)輸入電壓UI降低時(shí),運(yùn)放輸出端電壓降低,通過發(fā)光二極管的電流I1也隨之減小,與上類似,輸出電壓UO=R2I2也隨輸入電壓UI的降低成比例地減小.
  光耦的選擇對電路的影響非常大,當(dāng)光耦選擇不適當(dāng)時(shí),K2與K3之間的差別比較大,但若此時(shí)K2與K3的變化是隨著通過光耦電流的大小變化成比例的,即:K2=ΑK3,如果Α為常量,輸出電壓與輸入電壓仍然保持線性關(guān)系,檢測電路仍然能正常工作.但在一般情況下,Α不是常量,導(dǎo)致檢測電路的輸出與輸入電壓不是線性關(guān)系,輸出電壓不會(huì)隨著輸入電壓的變化而線性變化[2].此時(shí)檢測電路就不能正常工作.為了避免這種情況,應(yīng)盡量選用特性一致的光耦.

  4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
  根據(jù)所設(shè)計(jì)的檢測電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)時(shí),調(diào)節(jié)輸入電壓UI的大小,并檢測與之對應(yīng)的輸出電壓UO的大小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1(A)所示.為了進(jìn)行對比,同時(shí)測出沒有反饋的光耦的輸入與輸出電壓關(guān)系,并列在表1(B).根據(jù)表1中(A)、(B)的數(shù)據(jù)分別繪出檢測電路與單個(gè)光耦的傳輸特性,分別如圖3(A)、(B)所示.





  由表1可知,在一定范圍內(nèi),檢測電路的輸出電壓與輸入電壓是成正比地變化的.輸出與輸入電壓的比例系數(shù)幾乎保持不變.表1(A)中最后一行的比例變化比較大,之所以有如此大的變化,是因?yàn)榇藭r(shí)光耦的輸出電流已經(jīng)達(dá)到了飽和值,無論怎樣增加輸入電流,輸出電流都不會(huì)有大的改變[3].圖3(A)也能很清楚地看出檢測電路中輸出與輸入電壓的比例關(guān)系是線性的.而表1(B)中的數(shù)據(jù)則表明單個(gè)光耦隔離時(shí)輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系比較復(fù)雜,只有在中間一部分有近似的線性關(guān)系.圖3(B)也表明了單個(gè)光耦的輸出輸入關(guān)系是非線性的.




圖2 檢測電路構(gòu)成





圖3檢測電路與單個(gè)光耦的輸入輸出特性
(a)檢測電路的傳輸特性(b)單個(gè)光耦的傳輸特性


  由圖3(A)和表1(A)可知,檢測電路的輸出可以很好地跟隨輸入電壓的變化,并且實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出之間的隔離,精度較高,線性度較好(<1% ),在要求不是很精確的情況下,可以選用此檢測電路來檢測、反饋主電路的電壓、電流信號(hào).

  5結(jié)語
  根據(jù)目前電子產(chǎn)品市場的變動(dòng),本文提出了一種檢測電路,此電路具有隔離功能,并且隔離后的輸出電壓與輸入電壓成正比.因此這種檢測電路可用于檢測需要隔離的電壓、電流信號(hào).此電路可代替原有的TIL300.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該檢測電路的可行性.此電路具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、精度高、線性度好的特點(diǎn),可廣泛用于對精度要求不是很高、需要隔離并檢測、反饋電壓、電流信號(hào)的領(lǐng)域,如電力、化工、通信、冶金等行業(yè).

  參考文獻(xiàn)
  1TIL300精密線性光耦合器數(shù)據(jù)手冊.武漢力源電子股份有限公司,1998年
  2何金茂.數(shù)字電子技術(shù)導(dǎo)論.陜西科學(xué)技術(shù)出版社.1997
  3史平君等.電源元器件實(shí)用資料匯編.陜西省電源學(xué)會(huì).1998

  作者簡介
  趙向華女1976年生,現(xiàn)在西安交通大學(xué)攻讀碩士學(xué)位.主要從事開關(guān)電源和有源濾波器的研制及開發(fā).
  高軍男1973年生,現(xiàn)在西安交通大學(xué)攻讀博士學(xué)位.主要從事開關(guān)電源、不間斷電源和有源濾波器的研制及開發(fā).
  王兆安男1945年生,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院院長,教授,博士生導(dǎo)師,IEEE高級(jí)會(huì)員.主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼兞骷夹g(shù),電力電子電路,諧波抑制和無功功率補(bǔ)償.