交流电压隔离取样与光耦的线性化应用

赵忠凯,姚继忠

(1.中国联合网络通信有限公司承德市分公司,河北承德067000;2.中国普天信息研究院电源所,湖北武汉430079)

0 引 言

交流取样的线性度可以对逆变器、UPS、变频器等交流输出的电源装置输出特性产生极大的影响,值得作深入的探讨。

通常,交流电压的隔离取样会采用这样几种部件：电压互感器、霍尔传感器、光电耦合器件。在小型装置中,由于体积和成本因素的限制,大多选用光电耦合器件——线性光耦和线性隔离放大器,但其价格较贵,应用范围有一定的限制,但到目前为止,还没有更好的解决方案。

普通光耦由于其内部发光二级管和光敏三级管的固有伏安特性,使得其“线性区”实际上比较小并且存在一定程度的非线性失真,难以直接应用于线性隔离取样,一般仅用于数字信号或开关状态信号的隔离。

通常,利用光耦隔离模拟电信号主要有2种方法：一种是首先进行A/D转换或V/F转换,将模拟信号转换成数字信号或调频脉冲,再用光耦进行隔离,处理过程较为复杂,成本较高;另一种是利用线性光耦或光电隔离线性放大器,相对前者较为简便,但成本也较高。下面提出一种实用化的低成本光耦隔离交流电压电流检测电路方案,并作深入的探讨。

1 逆变器的交流输出取样

图1为普通的H桥逆变器,输入350 V～400 V的高压直流,输出220 V 50 Hz的交流。需要解决的问题是如何对CD端的交流电压取样。采用电压互感器或霍尔电压传感器可以很好地解决这个问题,但限于体积和成本的因素,在小型逆变装置中无法采用。如果不做电气隔离,也可以采取差动放大的方法取样(如图2)。

图1 H桥逆变器

图2 逆变器的不隔离取样

需要注意的是,图2中交流高压端的取样电阻应采用兆欧级的,以保证安全。如果再将取样电阻串入电容,就可以实现取样端和控制地的直流隔离,安全性会进一步提高,但这样会由于电容器耦合的原因,无法检测出逆变器交流输出的直流偏移,因而也不是一个好的解决方案。要想真正实现安全的交流电压取样,还是要采用电气隔离的方式。图2中的运放输出再接至线性隔离器件是一种较好的选择。

2 普通光耦器件的线性化使用

图3为线性光耦的典型应用。参照线性光耦的应用原理,如果采取措施引入负反馈改善系统的线性度,使光耦器件的非线性问题得以改善,那么利用普通光耦进行模拟信号的隔离是可能的。

图3 线性光耦的典型应用

图4 普通光耦的线性化应用

图4 是参照图3设计的普通光耦线性化应用电路,这里用到的光电耦合器,是一种常规的器件,它们由发光器和受光器两部分组成,发光器是一个发光二级管,受光器是一个光敏三级管,二者密封在同一管壳内。当受光器接受光照时,产生电流输出。由于电信号以光线为传输介质,因而实现了输入和输出信号在电气上的良好隔离。但是,在利用光电耦合器的线性耦合直接对模拟信号进行隔离传输时,由于光电耦合器内部发光二级管和光敏三级管的固有伏安特性,使得光电耦合器的“线性区”实际上存在一定程度的非线性失真。

在本电路中,使用了两个普通光耦器件和两个运算放大器,两个光耦一个用作射极跟随器输出,一个用于反馈控制,以补偿发光二极管的非线性。下面我们来分析电路的工作原理。在图4中：

式中：K 1,K 2分别为电路中两个光耦的电流传输比。

由电路可知：

则电路的增益为：

如果两个光耦选用同一型号同一批次的产品,那么特性基本一致,即有：K 1=K 2所以：

从上式可以看出,该电路的电压增益只与电阻R1,R2的阻值有关,而与光耦的电流传输比等特性无关。

3 交流电压的光耦隔离线性取样

基于上面的分析,设计了一个交流电压线性取样电路,其中采用了普通光耦的线性化取样技术。该电路用于电流的隔离取样同样适用。

图5为该电路的PsPice仿真模型,可应用于工作电压为3.6 V的单片机控制取样。特性参数如下：

交流检测电压：幅值310 V,频率50 Hz;

输出电压：直流偏置电压2 V,峰峰值1.8 V,频率50 Hz。

设置直流偏置的目的是,方便采用单电源供电,便于单片机处理。

图5 交流电压的光耦隔离取样电路

图6 取样电路的PsPice仿真波形

从仿真结果可以看出,该取样电路的线性度良好,没有相位误差,很好地实现了交流电压的线性隔离取样。

4 总 结

利用普通的光电耦合器和普通的运算放大器,可以实现交流电压电流的线性隔离取样,该方法对降低小型逆变装置的成本,并提高其工作性能有一定的实用性。但该方案也存在一定的局限性,如对两个光耦的选用应该基于同一批次,最好是在同一个封装内,以保证产品的一致性。

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