交流電壓隔離取樣與光耦的線性化應用

趙忠凱,姚繼忠

(1.中國聯合網絡通信有限公司承德市分公司,河北承德067000;2.中國普天信息研究院電源所,湖北武漢430079)

0 引 言

交流取樣的線性度可以對逆變器、UPS、變頻器等交流輸出的電源裝置輸出特性產生極大的影響,值得作深入的探討。

通常,交流電壓的隔離取樣會采用這樣幾種部件：電壓互感器、霍爾傳感器、光電耦合器件。在小型裝置中,由于體積和成本因素的限制,大多選用光電耦合器件——線性光耦和線性隔離放大器,但其價格較貴,應用范圍有一定的限制,但到目前為止,還沒有更好的解決方案。

普通光耦由于其內部發光二級管和光敏三級管的固有伏安特性,使得其“線性區”實際上比較小并且存在一定程度的非線性失真,難以直接應用于線性隔離取樣,一般僅用于數字信號或開關狀態信號的隔離。

通常,利用光耦隔離模擬電信號主要有2種方法：一種是首先進行A/D轉換或V/F轉換,將模擬信號轉換成數字信號或調頻脈沖,再用光耦進行隔離,處理過程較為復雜,成本較高;另一種是利用線性光耦或光電隔離線性放大器,相對前者較為簡便,但成本也較高。下面提出一種實用化的低成本光耦隔離交流電壓電流檢測電路方案,并作深入的探討。

1 逆變器的交流輸出取樣

圖1為普通的H橋逆變器,輸入350 V～400 V的高壓直流,輸出220 V 50 Hz的交流。需要解決的問題是如何對CD端的交流電壓取樣。采用電壓互感器或霍爾電壓傳感器可以很好地解決這個問題,但限于體積和成本的因素,在小型逆變裝置中無法采用。如果不做電氣隔離,也可以采取差動放大的方法取樣(如圖2)。

圖1 H橋逆變器

圖2 逆變器的不隔離取樣

需要注意的是,圖2中交流高壓端的取樣電阻應采用兆歐級的,以保證安全。如果再將取樣電阻串入電容,就可以實現取樣端和控制地的直流隔離,安全性會進一步提高,但這樣會由于電容器耦合的原因,無法檢測出逆變器交流輸出的直流偏移,因而也不是一個好的解決方案。要想真正實現安全的交流電壓取樣,還是要采用電氣隔離的方式。圖2中的運放輸出再接至線性隔離器件是一種較好的選擇。

2 普通光耦器件的線性化使用

圖3為線性光耦的典型應用。參照線性光耦的應用原理,如果采取措施引入負反饋改善系統的線性度,使光耦器件的非線性問題得以改善,那么利用普通光耦進行模擬信號的隔離是可能的。

圖3 線性光耦的典型應用

圖4 普通光耦的線性化應用

圖4 是參照圖3設計的普通光耦線性化應用電路,這里用到的光電耦合器,是一種常規的器件,它們由發光器和受光器兩部分組成,發光器是一個發光二級管,受光器是一個光敏三級管,二者密封在同一管殼內。當受光器接受光照時,產生電流輸出。由于電信號以光線為傳輸介質,因而實現了輸入和輸出信號在電氣上的良好隔離。但是,在利用光電耦合器的線性耦合直接對模擬信號進行隔離傳輸時,由于光電耦合器內部發光二級管和光敏三級管的固有伏安特性,使得光電耦合器的“線性區”實際上存在一定程度的非線性失真。

在本電路中,使用了兩個普通光耦器件和兩個運算放大器,兩個光耦一個用作射極跟隨器輸出,一個用于反饋控制,以補償發光二極管的非線性。下面我們來分析電路的工作原理。在圖4中：

式中：K 1,K 2分別為電路中兩個光耦的電流傳輸比。

由電路可知：

則電路的增益為：

如果兩個光耦選用同一型號同一批次的產品,那么特性基本一致,即有：K 1=K 2所以：

從上式可以看出,該電路的電壓增益只與電阻R1,R2的阻值有關,而與光耦的電流傳輸比等特性無關。

3 交流電壓的光耦隔離線性取樣

基于上面的分析,設計了一個交流電壓線性取樣電路,其中采用了普通光耦的線性化取樣技術。該電路用于電流的隔離取樣同樣適用。

圖5為該電路的PsPice仿真模型,可應用于工作電壓為3.6 V的單片機控制取樣。特性參數如下：

交流檢測電壓：幅值310 V,頻率50 Hz;

輸出電壓：直流偏置電壓2 V,峰峰值1.8 V,頻率50 Hz。

設置直流偏置的目的是,方便采用單電源供電,便于單片機處理。

圖5 交流電壓的光耦隔離取樣電路

圖6 取樣電路的PsPice仿真波形

從仿真結果可以看出,該取樣電路的線性度良好,沒有相位誤差,很好地實現了交流電壓的線性隔離取樣。

4 總 結

利用普通的光電耦合器和普通的運算放大器,可以實現交流電壓電流的線性隔離取樣,該方法對降低小型逆變裝置的成本,并提高其工作性能有一定的實用性。但該方案也存在一定的局限性,如對兩個光耦的選用應該基于同一批次,最好是在同一個封裝內,以保證產品的一致性。

[1] APPLICATION NOTE AN-107,Linear Optocouplers[EB/OL].http：//www.clare.com