基于線性光耦的強(qiáng)隔離直流電壓檢測(cè)方法

1、基于線性光耦的強(qiáng)隔離直流電壓檢測(cè)方法基于線性光耦的強(qiáng)隔離直流電壓檢溺-方法電工電氣(2009No.11)檢驗(yàn)與測(cè)試.基于線性光耦的強(qiáng)隔離直流電壓檢測(cè)方法鄭良廣,倪喜軍,閆安心,趙劍鋒(東南大學(xué)伺服控制技術(shù)教育部工程研究中心,江蘇南京210096)摘要:介紹了高精度線性光耦HCNR201的工作原理.提出了基于線性光耦的直流電壓檢測(cè)方法及其硬件電路,該檢測(cè)電路具有較強(qiáng)的電氣隔離特性.給出了基于該電路的試驗(yàn)結(jié)果,運(yùn)用最佳平方逼近原理對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,證明了該直流電壓檢測(cè)方法的線性度好,精確度高.關(guān)鍵詞:HCNR201芯片;直流電壓;檢測(cè)方法;電氣隔離中圖分類號(hào):TM930.12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編

2、號(hào):HighIsolatedDCVoltageDetectingTechniqueBasedonLinearOptocouplerZHENGLiangguang,NIXi-jun,YANAnxin,ZHAOJianfeng(snT0一ControlEngineeringCenteroftheMinist"ofEducation,SoutheastUniversity,Nanjing210096.China)Abstract:Introductionwasmadetotheworkingprincipleofahighaccuracylinearoptocoupler,HCNR201.

3、ADCvoltagedetectingtechniqueanditshardwarecircuitbasedonthelinearoptocouplerwereproposed.Thedetectingcircuitwasinpossessionofhighelectricalisolatedcharacteristics.Thispapergavetheexperimentalresultsbasedonthecircuitandanalyzedtheexperimentaldatawiththeprincipleofoptimumapproximationinquadraticnorm.T

4、heresultsprovethatthisDCvoltagedetectingtechniqueiswithhighlinear-ityandaccuracy.Keywords:HCNR201;DCvoltage;detectingtechnique;electricalisolation0引言隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,電力電子設(shè)備被大量應(yīng)用到電氣化鐵路牽引,工業(yè)生產(chǎn)中電力傳動(dòng),柔性直流輸電,UPS,航空電源,變頻調(diào)速,風(fēng)力發(fā)電,光伏發(fā)電等領(lǐng)域中.在這些電力電子設(shè)備中,經(jīng)常需要將儲(chǔ)能設(shè)備的直流電壓信號(hào)采集到控制系統(tǒng).使用霍爾電壓傳感器來實(shí)現(xiàn)直流電壓的隔離和轉(zhuǎn)換是常用方法,但國(guó)外生產(chǎn)的高性能

5、電壓傳感器件的造價(jià)較高,而國(guó)產(chǎn)傳感器在轉(zhuǎn)換精度和電氣隔離等性能上比較欠缺,并且價(jià)格也不低.一種性價(jià)比較高的直流電壓檢測(cè)方法就是使用線性光耦轉(zhuǎn)換電路,由于線性光耦輸入端和輸出端是通過光耦進(jìn)行耦合的,并且芯片本身的電氣隔離性能比較可靠,因此不僅能夠?qū)崿F(xiàn)直流電壓的高精度檢測(cè),而且不會(huì)將強(qiáng)電側(cè)電磁干擾耦合到控制系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)直流電壓側(cè)和控制系統(tǒng)的高強(qiáng)度電氣隔離.要實(shí)現(xiàn)線性光耦的電氣隔離功能,必須保證光耦輸入輸出側(cè)的電源是隔離的,目前的應(yīng)用電路多數(shù)使用DCDC電源隔離芯片來為線性光耦兩側(cè)提供電源",但在直流電壓較高的情況下DcDC電源隔離性能會(huì)受很大影響,從而使得線性光耦兩側(cè)的電氣隔離性能下降

6、.本文提出了一種新的輸入側(cè)電源供電方案,使得線性光耦兩側(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)高強(qiáng)度電氣隔離,電路中使用了HP公司的高精度線性模擬光耦器件HCNR201.本文對(duì)新的檢測(cè)電路及其工作原理基金項(xiàng)目:江蘇省科技支撐項(xiàng)目(BE2008072)作者簡(jiǎn)介:鄭良廣(1982一),碩士研究乍,研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用:倪喜(1982一),男,博士研究生,研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用:閆安心(1984一),碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化;趙劍鋒(1972一),教授,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化,電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和優(yōu)化等.一53電工電氣(2009No.11)基于線性光耦的強(qiáng)隔離直流電壓檢灝方法進(jìn)行分析

7、,并通過實(shí)驗(yàn)證明了此方法的精確性.1HCNR201的構(gòu)成和工作原理線性光耦HCNR201是美國(guó)HP公司推出的高精度線性光耦,具有低成本,高線性度,高穩(wěn)定度,頻帶寬,設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn),通過外接不同的分立器件,可以實(shí)現(xiàn)多種光電隔離轉(zhuǎn)換電路.HCNR201是由1個(gè)高性A1GaAs型發(fā)光二極管和2個(gè)同型號(hào)光敏二極管PD1,PD2構(gòu)成.輸入信號(hào)經(jīng)過電壓一電流轉(zhuǎn)化,電壓的變化體現(xiàn)在發(fā)光二極管的電流上,光敏二極管的電流/PD1和基本與成線性關(guān)系,線性系數(shù)分別記為和,即滿足以下關(guān)系:IPD1=1×IF(1)/PD2=×,F(2)r=(3)PD2與一般很小(HCNR20l是0.48%),并且隨

8、溫度變化較小(HCNR201的變化范圍在0.36%0.72%之間),但芯片的設(shè)計(jì)使得和相等.在合理的外圍電路設(shè)計(jì)中,真正影響輸出/輸入比值的是(即傳輸增益),每只線性光耦輸出側(cè)光電流,和輸入側(cè)光電流之比都是一個(gè)恒定值(約為1±5%).正是利用這種特性,線性光耦才能達(dá)到滿意的線性度.2直流電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)直流分壓和隔離電源電路如圖1所示,通過分壓電阻,和(均使用0.1%的高精度電阻),將0400V的直流電壓轉(zhuǎn)換為010V的弱電信號(hào).將輸入直流電壓通過限流電阻加載到穩(wěn)壓管Z兩端,并在z兩端并聯(lián)濾波電容,就可以得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電源期(電壓約為l2V).此電源作為運(yùn)放U及線性光耦輸入側(cè)的供

9、電電源,它是完全與控制電路隔離的,因此直流電壓檢測(cè)電路兩側(cè)只有光路耦合,實(shí)現(xiàn)了直流電壓側(cè)與控制系統(tǒng)的完全電氣隔離,從而避免了直流電壓側(cè)電磁干擾傳導(dǎo)到控制電路,增強(qiáng)了控制電路的可靠性.圖1且流分/土和隔尚電源電蛤直流電壓線性轉(zhuǎn)換電路如圖2所示,.為轉(zhuǎn)換過后的直流電壓信號(hào),整個(gè)檢測(cè)電路滿足如下關(guān)系:H×()(4)UdcI.(5)=dc(6)聯(lián)立公式(1)(6)求解得到直流電壓的如下轉(zhuǎn)換關(guān)系:()×魯×百dcI(7)檢測(cè)電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖2直流電壓線性轉(zhuǎn)換電路本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的直流電壓檢測(cè)范圍為:0400V,54可調(diào)直流電源由圖3所示的整流電路產(chǎn)生,通過改變可調(diào)電源的輸入電壓

10、來調(diào)節(jié)直流電壓.的幅值.基于線性光耦的強(qiáng)隔離直流電匱檢方法電工電氣(2009No.11)可調(diào)電源一R:DD.一R.=DDD圖3可調(diào)直流電壓源電路實(shí)驗(yàn)電路中取6=1.2kQ,使得HCNR201的F約為典型值l0mA.其它電路參數(shù)為=93lkQ,R3=47kQ,R5=7=150kQ,穩(wěn)壓管工作電壓c約為12V.可以計(jì)算得此電路輸出電壓理論值滿足以下關(guān)系:度為:=÷三151×.%=.4%acH()+()直流電壓輸入.和輸出.線性轉(zhuǎn)換擬合曲線如圖4所示.lO8>6J42E=0.024621.×(8)4結(jié)語此檢測(cè)電路的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表l所示.表1直流電壓檢測(cè)電路實(shí)

11、驗(yàn)數(shù)據(jù)v由于直流電壓輸入()和輸出()滿足線性關(guān)系,根據(jù)離散數(shù)據(jù)的最佳平方逼近原理,設(shè)擬合函數(shù)為(令:州,y:):y=a0+alX(9)則取.(X)-1,(X)-X,得到法方程組:0a,×(ca,j)=(,)(10)其中i=0,1,將表1中數(shù)據(jù)帶入公式(10),可以求得ao=1.2e一4,a1=0.024656,則0.024656X.聯(lián)立公式(8),計(jì)算可得HCNR201的傳輸增益:0.9986.本實(shí)驗(yàn)中線性光禍HCNR201的線性rjjI.耳,寅立安01OO200300400500【1/V圖4直流電壓線性轉(zhuǎn)換擬合曲線本文提出了一種基于線性光耦HCNR201的直流電壓檢測(cè)方法,并根據(jù)此方法搭建了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)電路.通過運(yùn)用最佳平方逼近原理對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,證明了本文提出的直流電壓檢測(cè)方法具有較高的檢測(cè)精度,并且由于HCNR201輸入側(cè)芯片供電電源是通過儲(chǔ)能設(shè)備的直流電壓變換得到的,與控制系統(tǒng)是電氣隔離的,因而直流電壓側(cè)的電磁干擾不可能通過此檢測(cè)電路耦合到控制系統(tǒng),從而提高了檢測(cè)電路和控制系統(tǒng)的可靠性.參考文獻(xiàn)1譚穎琦,范大鵬,陶溢.基于線性光耦HCNR200的DSP采集電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.電測(cè)與儀表,2006,43(6):46-48.2涂海燕,涂源釗.高壓隔離線性光耦TIL300放大電路設(shè)計(jì)J.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2002(1):