基於光電耦合器的線性電壓檢測方法
2023-05-03 04:50:06 3
基於光電耦合器的線性電壓檢測方法
【專利摘要】本發明基於光電耦合器的線性電壓檢測方法用以擴展電壓傳感器的工作頻率為目標，採用光電耦合器作為隔離傳輸器件，配合運算放大器構成雙閉環反饋網絡，實現有源非線性糾正和相位補償，使得其在傳輸信號高頻段具有良好的線性度和較小的相位失真，工作頻率能夠達到50kHz。可以做成電壓傳感模塊作為電流型電壓傳感器使用，檢測高低頻正弦交流電壓值。
【專利說明】基於光電耦合器的線性電壓檢測方法
—.
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及的內容屬於電參數測量【技術領域】，是通過光電耦合器對直流電流或交流電流值進行隔離式測量，作為一種電流傳感器使用，與電氣控制設備的生產相關。
二.【背景技術】
[0002]在電氣控制設備的生產中經常要用到電流、電壓傳感器做隔離式檢測。目前，需要進行電路隔離式檢測電壓的方式主要有二種:一是採用鐵磁性變壓器結構，直接利用變壓比的方式實現電壓轉換；二是電流型電壓互感器，採用限流電阻將電壓轉換為電流，再利用電流互感的方式輸出電流，然後通過電阻轉換成電壓。變壓器結構的電壓互感器的感知準確度比較高，線性度好，相位失真小，但體積較大，普通的電壓互感器與拳頭的體積相仿，高電壓環境下體積更大，顯得很笨重，在有些控制電路中不便使用。電流型電壓互感器體積較小，對於低頻率電壓的檢測比較理想，但對於高頻率電壓的檢測，存在嚴重的相位失真問題。如ZMPT101B工作頻率高端只能達到5kHz左右的電壓測量，在5kHz下相位已經滯後7.2° ;在1kHz下相位滯後21.6°，並且其幅度也下降了 7.5%。所以，雖然電流型電壓互感器的體積小巧，對於高頻或者有嚴格相位要求的測量中，比如對於數十千赫茲的高頻電功率測量等不能被採用。
[0003]需要進行電路隔離的電壓、電流耦合方式除了變壓器外，還可以採用光電耦合器、霍爾元件等，其中霍爾元件被應用在大電流的檢測，光電耦合器在傳遞電壓信號中應用較廣。光電耦合器具有體積小、功耗低、電隔離性能好、抗電磁幹擾能力強等許多優點，對於被測電路與測量電路之間需要隔離環境，尤其是高電壓網絡的測量，光電耦合器的優點可以得到充分體現。但光電耦合器是非線性器件，某些被稱為線性光電耦合器的也有明顯的非線特性，採用光電耦合器直接檢測電壓存在相位滯後和波形失真，無論是從全波形耦合電路或者是從整流式耦合電路中都可以反映出這兩者變化情況，如附圖5所示。因此，對於相位和諧波失真要求比較嚴格的測量環境中不能直接使用光電耦合器來測量。
[0004]本發明針對於普通電壓傳感器高頻特性不良的情況，以光電耦合器為基礎開發出頻率更高的電壓傳感器，可用於逆變電源、高頻加熱器等內部電路高頻電壓的線性檢測與傳感，構成準確度更高反饋系統。因此，本發明所涉及的方法會有一定的應用前景。
三.
【發明內容】
[0005]本發明基於光電耦合器的線性電壓檢測方法，能夠將電壓傳感器的工作頻率擴展到更高頻率範圍，從技術層面上看，具有以下內容特徵:
[0006]採用適合高頻率工作的運算放大器，成雙的光電耦合集成器等，通過其中一對光電耦合器構成深度電流負反饋，通過電阻電容器件組成深度電壓負反饋，整體組成具有雙閉環結構的深度負反饋電壓-電流變換電路，由此方法消除光電耦合器帶來的非線性失真，由另一對電流傳輸特性完全相同的光電I禹合器以電流形式隔離輸出；在運算放大器輸出電流支路中設置比例微分電路，在運算放大器的輸出端與反相端之間再並聯阻容比例微分電路，由此方法前移光電耦合器驅動電流，彌補高頻段的信號傳輸相位滯後問題，如附圖1所示；在運算放大器的工作狀態設置上，預先給運算放大器一個靜態電流，並且將運算放大器的電壓增益設置成小於1，運算放大器輸入埠電位設置在運算放大器供電電壓的中間值附近，以獲得儘量大的動態範圍。
[0007]實現相位糾正的線性電壓傳輸電路結構如附圖1所示，以下稱作「基於光電耦合器的電壓傳感模塊」，簡稱電壓傳感模塊，可以分為附圖2所示的五個部分組成。
[0008]
[0009]電路的作用是將輸入電壓大小變化線性地轉換成輸出電流的變化，該電路的特點是輸入電位升高時，輸出電流變大，表現為同相關係，方便輸出信號的處理。被測電壓通過限流電阻向電壓傳感模塊輸入電流，在電阻R7上獲得一個採樣電壓，輸入由運算放大器IC1組成的閉電壓-電流變換電路。電壓傳感模塊中的IC1是運算放大器，IC2是光電耦合器，DZ1是並聯型穩壓器，穩定整個模塊電路的工作電壓。模塊電路中運放向光電耦合器灌入電流，相耦合的光電器件輸出電流用以提升運放反相端電位。由運算放大器兩個輸入端等電位的工作特點決定，輸入電壓必定與反饋電流成比例關係。變換電路的輸出電流信號反饋與輸出採用二隻特性一致的光電耦合器IC2，使得輸出電流等於反饋電流，出就是與被子測電壓成比例關係，如附圖2中曲線所示。為了儘量符合這一要求，最好採用集成的雙光電耦合器，附圖1中採用的TLP521-2就是一款最常用的雙光耦器件。
[0010]電路圖中運算放大器採用了 NE5532，主要考慮其工作頻率高，其不足之處是自身工作電流比較大。如果採用LM358可以降低工作電流，且輸入端的動態範圍大，輸出的最低電位較低的特性，能夠儘可能增大測量範圍。但LM358的延遲時間較長，加上光電耦合器的延遲，造成放大器反饋系統延遲時間很長，使得電路產生自激振蕩，無法正常傳輸電壓。當然，只要滿足電路工作速度和動態範圍的需要，也可以採用其他型號的運算放大器，如高速運放AD524、AD827、LM833、LF353、CA3240等。但不要使用低速器件，如低功耗運放LM358、微功耗運放LMV358等。
[0011]運算放大器的輸出電阻R2用於對光電流的限制，電阻R2阻值越小，光耦的輸出電流越大。若要減小運算放大器輸出電壓的波動幅值，使得運算放大器可以工作在低電壓條件下，R2的取值應該小一些，這樣也可以使得電路增益高一些。但如果R2阻值過小，會使光耦的輸入電流波動幅度會變大，不利於傳感電路的穩定，會產生自激振蕩。所以，R2應該配合R12的設置情況，有效限制光電耦合器的電流大小，不至於造成光電耦合器的反饋過強。R2的取值原則是在靜態下光耦反饋造成運放反相端的電位約等於運放輸出端電位，配合R1的阻值使其有一個合適的光電流，如ImA電流值。以靜態下光電耦合器驅動電流Id取ImA為例，民和R1值由下式確定。
[0012]IdR2 + 2.0 ? UdR1 w Vcc
[0013]其中2.0是兩隻光耦中發光二極體的總導通電壓，單位為伏特冰是光耦的電流傳輸比，Vcc/2是運算放大器輸入端的靜態電位值，光電耦合器驅動電流Id人為給定。
[0014]雖然電路採用了工作頻率較高的運算放大器NE5532，若限流電阻R2取值不大，還必須連接反饋電阻R12，以消除單獨由光耦反饋造成的電路自激振蕩。加入負反饋電阻R12後，使得運算放大器輸出電位波動不會過分劇烈，實際是限制了在光耦反饋未有效作用時運算放大器輸出電壓，防止了光電耦合器反饋的電壓過大。反饋電阻R12的取值標準是:單獨由R12決定的輸出電壓動態幅度在放大電路的動態範圍內，但要高於光耦單獨正常作用下的輸出電壓。也可以認為R12構成了即時電壓負反饋，光電耦合器構成了延遲電流負反饋。延遲負反饋系統是不穩定的系統，雙反饋系統使得工作穩定。R12具體值要通過實驗調整，以消除自激振蕩為目標確定R12。
[0015]電壓傳感模塊的電流傳輸比由下式近似計算:
【權利要求】
1.基於光電耦合器的線性電壓檢測方法，其特徵是:採用運算放大器，成雙的光電耦合集成器等，通過其中一對光電耦合器構成深度電流負反饋，通過電阻電容器件組成深度電壓負反饋，整體組成具有雙閉環結構的深度負反饋電壓-電流變換電路，由此方法消除光電耦合器帶來的非線性失真現象，由另一對電流傳輸特性完全相同的光電耦合器以電流形式隔離輸出；在運算放大器輸出電流支路中設置比例微分電路，在運算放大器的輸出端與反相端之間再並聯阻容比例微分電路，由此方法前移光電耦合器驅動電流，彌補高頻段的信號傳輸相位滯後問題；在運算放大器的工作狀態設置上，預先給運算放大器一個靜態電流，並且將運算放大器的電壓增益設置成小於I，運算放大器輸入埠電位設置在運算放大器供電電壓的中間值附近。
2.根據權利要求1所述的基於光電耦合器的線性電壓檢測方法，其特徵是所採用的運算放大器適合被子測信號頻率工作，雙光電耦合器是同一個集成器件，兩個光電耦合器的電流傳輸特性一致。
3.根據權利要求1所述的基於光電耦合器的線性電壓檢測方法，其特徵是光電耦合器等器件信號傳輸中相位滯後問題，採用比例微分電路前移光電耦合器驅動電流相位的辦法進行彌補。
4.根據權利要求1所述的基於光電耦合器的線性電壓檢測方法，其特徵是雙閉環反饋系統由電壓反饋迴路和電流反饋迴路組成，運算放大器小於I的電壓增益由電壓反饋迴路設置，電壓傳感模塊的電流傳輸比由電流反饋迴路控制。
【文檔編號】G01R19/00GK104049125SQ201310083980
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年3月12日 優先權日:2013年3月12日
【發明者】陳庭勳 申請人:浙江海洋學院, 陳庭勳