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摘要: 通过对线性光耦器件HCNR201的研究,深入了解该器件的特性,结合保护装置对电子式互感器输出信号采集的需要,设计一种交流信号隔离电路。从理论上深入分析该电路的工作原理,对可能引起误差的因素进行分析,试验结果说明该电路是一种低成本、高精度、高可靠性的交流信号隔离电路。
关键词: 交流信号;隔离;电子式互感器;线性;相位误差
中图分类号:TM93文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0320017-01
0 引言
模拟信号的采集,是电力系统继电保护中的一个重要环节。电子式互感器以其优良的特性,在未来的发展中将代替电磁感应原理的传统互感器。保护装置对电子式互感器输出信号进行采集的关键技术是如何进行高精度的线性传送及电气隔离。模拟信号隔离的方法有变压器隔离、线性放大器隔离和光电隔离等。变压器隔离和线性放大器隔离方式存在成本高的问题。光电隔离方式以其成本较低的特点成为实用的模拟信号隔离方式。HCNR201是高精度线性光耦器件,主要的应用集中在直流信号隔离上。本文通过深入分析该器件的工作原理,设计出交流信号的隔离电路,通过理论分析和实验验证,实现了信号的线性传送及电气隔离。
1 线性光耦工作原理
光耦HCNR201是一种高精度线性光耦器件,直流非线性典型值为0.01%,最大值为0.05%;该器件有高达1MHz的带宽。该器件有三个部分:发光二极管LED、输入(反馈)光电二极管PD1和输出光电二极管PD2。当LED通过驱动电流IF时,发出红外光(伺服光通量)。该光分别照在PD1、PD2上,反馈光电二极管吸收光通量的一部分,从而产生控制电流(伺服电流)I1(0.005IF),该电流用来调节IF以补偿D1的非线性,保证器件的线性度。光电二极管PD2产生输出电流I2与LED发出的伺服光通量成线性比例关系。伺服电流增益K1,K1=I1/IF,正向增益K2,K2=I2/IF,则总的传输增益K3=K2/K1,K3的典型值为1。
2 交流隔离电路设计
本文针对电子式互感器输出信号采集的要求,設计了交流信号的隔离放大电路,其原理图如图1所示。该电路由互补的两部分组成,运放U1和光耦B1进行输入信号正半周的隔离放大,运放U2和光耦B2进行输入信号负半周的隔离放大,二极管D3和D4调整光耦B1的偏置,D5和D6调整光耦B2的偏置,设定发光二极管的静态工作点。
图1
3 电路传输特性分析
由于电路上下是互补的两个部分,工作原理相同,信号极性的不同。设定R1为电位器RP1信号正半周通过的部分,它和电阻R2一起构成了正半周电路的输入电阻,流过光电二极管B1A的电流(伺服电流)I1为I1=UIN/(R1+R2),根据光电耦合器的工作原理,运放UA1输出端1脚的电压UO1可由下列式子求出:
IF=UIN/(k1(R1+R2))(1)
UO1=UD3+UD4-R4IF-UB1B (2)
电路在静态工作点时,二极管D3和D4的正向压降和UD3+UD4与发光二极管B1B的正向压降UB1B是相等的,约为1.6V,输出电压UO1为:
UO1=-R4*UIN/(k1(R1+R2)) (3)
由上式可见,信号输入部分运放电路实现了信号正半周的放大,输出与输入有固定的比例关系,并通过光耦器件对运放进行了负反馈,使得运放电路稳定地工作在放大状态。信号的输出部分,补偿电容C2的阻抗非常大,与电阻R3相比是可以忽略的,结合运放的两个特性,可写出输出电压的表达式为:
UOUT=(R6+RP2)*I2(4)
式中I2=k3*I1,可以得到输入电压和输出电压的关系为:
UOUT=(R6+RP2)*k3*UIN/(R1+R2) (5)
可见,输入和输出信号具有线性的比例关系。交流信号的负半周隔离放大原理与正半周信号的隔离放大原理相同。
4 误差分析
该隔离电路误差包括线性度误差及相差。光耦HCNR201的直流非线性误差是0.01%,从表达式(5)可以看出,输入和输出之间的关系成比例,因此非线性度误差是可以满足要求的。交流信号的相位误差主要由电容元件和其它元件的分布电容产生的,这些电容的应用限制了电路的带宽和速度,同时使信号的传输发生相位偏移。电容元件C1-C3的作用是改善运放的频率特性,对运放进行频率补偿,减小振荡,增加运放工作的稳定性,同时也会引起一定的相位偏移。因此必须对外加的电容或存在分布电容的元件进行限制,以免相差过大。此外通过软件方面的补偿措施,也可对相位特性进行改善。
5 结语
根据电路的工作原理分析和试验结果表明,该电路有很好的线性度,可应用于高线性交流信号的隔离放大处理。图示电路两边用两个独立的电源供电,实现电气隔离。应用此电路设计的模拟信号采集模块产品已经通过实验,精度及相差能够满足保护装置模拟量采集的要求。此处电路也可应用于其它对误差有严格要求的交流信号测量设备中。
参考文献:
[1]秦伟刚,光电耦合隔离技术与应用[J].仪器仪表学报,2006,(6).
[2]邱关源,电路[M].高等教育出版社,1999.
[3]苏涛、昝小舒、周立新,模拟光耦器件HCNR201及其在高精度电压检测中的应用[J].电测与仪表,2004,(7).
[4]尹永强、韦盟杰、余宏伟,基于高线性光耦HCNR201的交流信号隔离电路的实现[J].电测与仪表,2008,(11).
作者简介:
齐英杰(1975-),女,工程师,主要研究方向:变电站综合自动化系统。
关键词: 交流信号;隔离;电子式互感器;线性;相位误差
中图分类号:TM93文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0320017-01
0 引言
模拟信号的采集,是电力系统继电保护中的一个重要环节。电子式互感器以其优良的特性,在未来的发展中将代替电磁感应原理的传统互感器。保护装置对电子式互感器输出信号进行采集的关键技术是如何进行高精度的线性传送及电气隔离。模拟信号隔离的方法有变压器隔离、线性放大器隔离和光电隔离等。变压器隔离和线性放大器隔离方式存在成本高的问题。光电隔离方式以其成本较低的特点成为实用的模拟信号隔离方式。HCNR201是高精度线性光耦器件,主要的应用集中在直流信号隔离上。本文通过深入分析该器件的工作原理,设计出交流信号的隔离电路,通过理论分析和实验验证,实现了信号的线性传送及电气隔离。
1 线性光耦工作原理
光耦HCNR201是一种高精度线性光耦器件,直流非线性典型值为0.01%,最大值为0.05%;该器件有高达1MHz的带宽。该器件有三个部分:发光二极管LED、输入(反馈)光电二极管PD1和输出光电二极管PD2。当LED通过驱动电流IF时,发出红外光(伺服光通量)。该光分别照在PD1、PD2上,反馈光电二极管吸收光通量的一部分,从而产生控制电流(伺服电流)I1(0.005IF),该电流用来调节IF以补偿D1的非线性,保证器件的线性度。光电二极管PD2产生输出电流I2与LED发出的伺服光通量成线性比例关系。伺服电流增益K1,K1=I1/IF,正向增益K2,K2=I2/IF,则总的传输增益K3=K2/K1,K3的典型值为1。
2 交流隔离电路设计
本文针对电子式互感器输出信号采集的要求,設计了交流信号的隔离放大电路,其原理图如图1所示。该电路由互补的两部分组成,运放U1和光耦B1进行输入信号正半周的隔离放大,运放U2和光耦B2进行输入信号负半周的隔离放大,二极管D3和D4调整光耦B1的偏置,D5和D6调整光耦B2的偏置,设定发光二极管的静态工作点。
图1
3 电路传输特性分析
由于电路上下是互补的两个部分,工作原理相同,信号极性的不同。设定R1为电位器RP1信号正半周通过的部分,它和电阻R2一起构成了正半周电路的输入电阻,流过光电二极管B1A的电流(伺服电流)I1为I1=UIN/(R1+R2),根据光电耦合器的工作原理,运放UA1输出端1脚的电压UO1可由下列式子求出:
IF=UIN/(k1(R1+R2))(1)
UO1=UD3+UD4-R4IF-UB1B (2)
电路在静态工作点时,二极管D3和D4的正向压降和UD3+UD4与发光二极管B1B的正向压降UB1B是相等的,约为1.6V,输出电压UO1为:
UO1=-R4*UIN/(k1(R1+R2)) (3)
由上式可见,信号输入部分运放电路实现了信号正半周的放大,输出与输入有固定的比例关系,并通过光耦器件对运放进行了负反馈,使得运放电路稳定地工作在放大状态。信号的输出部分,补偿电容C2的阻抗非常大,与电阻R3相比是可以忽略的,结合运放的两个特性,可写出输出电压的表达式为:
UOUT=(R6+RP2)*I2(4)
式中I2=k3*I1,可以得到输入电压和输出电压的关系为:
UOUT=(R6+RP2)*k3*UIN/(R1+R2) (5)
可见,输入和输出信号具有线性的比例关系。交流信号的负半周隔离放大原理与正半周信号的隔离放大原理相同。
4 误差分析
该隔离电路误差包括线性度误差及相差。光耦HCNR201的直流非线性误差是0.01%,从表达式(5)可以看出,输入和输出之间的关系成比例,因此非线性度误差是可以满足要求的。交流信号的相位误差主要由电容元件和其它元件的分布电容产生的,这些电容的应用限制了电路的带宽和速度,同时使信号的传输发生相位偏移。电容元件C1-C3的作用是改善运放的频率特性,对运放进行频率补偿,减小振荡,增加运放工作的稳定性,同时也会引起一定的相位偏移。因此必须对外加的电容或存在分布电容的元件进行限制,以免相差过大。此外通过软件方面的补偿措施,也可对相位特性进行改善。
5 结语
根据电路的工作原理分析和试验结果表明,该电路有很好的线性度,可应用于高线性交流信号的隔离放大处理。图示电路两边用两个独立的电源供电,实现电气隔离。应用此电路设计的模拟信号采集模块产品已经通过实验,精度及相差能够满足保护装置模拟量采集的要求。此处电路也可应用于其它对误差有严格要求的交流信号测量设备中。
参考文献:
[1]秦伟刚,光电耦合隔离技术与应用[J].仪器仪表学报,2006,(6).
[2]邱关源,电路[M].高等教育出版社,1999.
[3]苏涛、昝小舒、周立新,模拟光耦器件HCNR201及其在高精度电压检测中的应用[J].电测与仪表,2004,(7).
[4]尹永强、韦盟杰、余宏伟,基于高线性光耦HCNR201的交流信号隔离电路的实现[J].电测与仪表,2008,(11).
作者简介:
齐英杰(1975-),女,工程师,主要研究方向:变电站综合自动化系统。