基于線性光耦的強隔離直流電壓檢測方法

1、基于線性光耦的強隔離直流電壓檢測方法基于線性光耦的強隔離直流電壓檢溺-方法電工電氣(2009No.11)檢驗與測試.基于線性光耦的強隔離直流電壓檢測方法鄭良廣,倪喜軍,閆安心,趙劍鋒(東南大學伺服控制技術(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方法及其硬件電路,該檢測電路具有較強的電氣隔離特性.給出了基于該電路的試驗結(jié)果,運用最佳平方逼近原理對實驗數(shù)據(jù)進行分析,證明了該直流電壓檢測方法的線性度好,精確度高.關(guān)鍵詞:HCNR201芯片;直流電壓;檢測方法;電氣隔離中圖分類號:TM930.12文獻標識碼:A文章編

2、號: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,柔性直流輸電,UPS,航空電源,變頻調(diào)速,風力發(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)常需要將儲能設(shè)備的直流電壓信號采集到控制系統(tǒng).使用霍爾電壓傳感器來實現(xiàn)直流電壓的隔離和轉(zhuǎn)換是常用方法,但國外生產(chǎn)的高性能

5、電壓傳感器件的造價較高,而國產(chǎn)傳感器在轉(zhuǎn)換精度和電氣隔離等性能上比較欠缺,并且價格也不低.一種性價比較高的直流電壓檢測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,而且不會將強電側(cè)電磁干擾耦合到控制系統(tǒng),從而實現(xiàn)直流電壓側(cè)和控制系統(tǒng)的高強度電氣隔離.要實現(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.本文對新的檢測電路及其工作原理基金項目:江蘇省科技支撐項目(BE2008072)作者簡介:鄭良廣(1982一),碩士研究乍,研究方向為電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用:倪喜(1982一),男,博士研究生,研究方向為電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用:閆安心(1984一),碩士研究生,研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化;趙劍鋒(1972一),教授,研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化,電能質(zhì)量監(jiān)測和優(yōu)化等.一53電工電氣(2009No.11)基于線性光耦的強隔離直流電壓檢灝方法進行分析

7、,并通過實驗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)計靈活的優(yōu)點,通過外接不同的分立器件,可以實現(xiàn)多種光電隔離轉(zhuǎn)換電路.HCNR201是由1個高性A1GaAs型發(fā)光二極管和2個同型號光敏二極管PD1,PD2構(gòu)成.輸入信號經(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)計使得和相等.在合理的外圍電路設(shè)計中,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恒定值(約為1±5%).正是利用這種特性,線性光耦才能達到滿意的線性度.2直流電壓檢測電路設(shè)計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.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,就可以得到一個穩(wěn)定的直流電源期(電壓約為l2V).此電源作為運放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,因此直流電壓檢測電路兩側(cè)只有光路耦合,實現(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)電磁干擾傳導到控制電路,增強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,整個檢測電路滿足如下關(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)檢測電路實驗結(jié)果分析圖2直流電壓線性轉(zhuǎn)換電路本實驗設(shè)計的直流電壓檢測范圍為: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)直流電壓源電路實驗電路中取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)語此檢測電路的實驗數(shù)據(jù)如表l所示.表1直流電壓檢測電路實

11、驗數(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),計算可得HCNR201的傳輸增益:0.9986.本實驗中線性光禍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的直流電壓檢測方法,并根據(jù)此方法搭建了相應(yīng)實驗電路.通過運用最佳平方逼近原理對實驗數(shù)據(jù)進行分析,證明了本文提出的直流電壓檢測方法具有較高的檢測精度,并且由于HCNR201輸入側(cè)芯片供電電源是通過儲能設(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電路耦合到控制系統(tǒng),從而提高了檢測電路和控制系統(tǒng)的可靠性.參考文獻1譚穎琦,范大鵬,陶溢.基于線性光耦HCNR200的DSP采集電路設(shè)計與實現(xiàn)J.電測與儀表,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J.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2002(1):