- 探究一種實(shí)用的線性隔離檢測電路
- 檢測電路構(gòu)成、工作原理分析
- 利用兩個光電耦合器用作輸出和反饋
- 利用本文提出的檢測電路來進(jìn)行測試
1 引言
隨著電源技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)中越來越廣泛地使用開關(guān)電源、UPS等電源設(shè)備。這些設(shè)備無一例外地要檢測主電路的電壓、電流信號。檢測電路是主電路與控制電路的接口，是電源設(shè)備必不可少的一個重要組成部分。檢測電路必須滿足如下幾方面的要求：
(1)要有很高的精度和線性度。現(xiàn)代電源為了達(dá)到很高的穩(wěn)壓穩(wěn)流精度并具有很好的動態(tài)響應(yīng)特性，大多都引入電壓電流參與系統(tǒng)的反饋控制。檢測電路的精度和線性度，在某種程度上決定了整個電源的輸出精度和穩(wěn)定性。
(2)必須具有隔離功能。大多數(shù)電源的主電路和控制電路之間在電氣上相互絕緣。否則電源會由于主電路對控制電路的干擾而不能正常工作，甚至?xí)＜罢{(diào)試人員的人身安全。
目前，市場上有許多隔離傳感器供用戶使用，如隔離放大器（TPS5904，AD202）、電壓霍爾、電流霍爾等。在上述器件中，AD202、霍爾元件有性能好、可靠性高、測量精確、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。但它昂貴的價(jià)格卻使大多數(shù)使用者望而卻步，TPS5904雖然價(jià)格比較便宜，但相對來講，線性度較差。只有TI公司的TIL300精密線性光耦，可以很精確地檢測直流信號，隔離效果好，價(jià)格又便宜。因此，許多設(shè)計(jì)人員在選擇器件時都偏重于選擇TIL300作為檢測、反饋直流電壓、電流用的檢測元件。
但是，隨著TIL300生產(chǎn)線的停產(chǎn)，以前使用TIL300的用戶不得不選擇其它器件，而目前電子元器件市場上又沒有其它價(jià)格、性能可與TIL300相媲美的元件，這就給使用者帶來很大不便。本文基于此現(xiàn)狀，提出了一種可以代替TIL300的檢測電路。該電路使用普通光耦，應(yīng)用反饋控制原理，具有價(jià)格便宜，線性度好的特點(diǎn)，在一定程度上可以替代原有的TIL300。
2 TIL300簡介
TIL300精密線性光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 TIL300結(jié)構(gòu)示意圖
TIL300精密線性光耦合器是由一個紅外光LED照射分叉配置的一個隔離反饋光二極管和一個輸出光二極管組成,反饋光二極管吸收LED光通量的一部分而產(chǎn)生控制信號，該控制信號可通過一個調(diào)節(jié)電路來調(diào)節(jié)LED的驅(qū)動電流，最終使得LED發(fā)出的光通量滿足輸入信號和反饋信號相等。TIL300精密線性光耦合器是以電流方式工作的，在一定輸入電流范圍內(nèi)，它的電流傳輸比保持不變，此時輸出光二極管產(chǎn)生的電流信號與反饋光二極管產(chǎn)生的電流信號成線性比例，所以輸出信號與輸入信號成一定的線性比例關(guān)系。
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3 檢測電路
3.1 電路結(jié)構(gòu)
本文提出的檢測電路如圖2所示。
圖2 檢測電路構(gòu)成
檢測電路主要由兩個普通光電耦合器、兩個運(yùn)放和電阻、電容構(gòu)成。兩個光電耦合器可以起到TIL300中隔離反饋光二極管和輸出光二極管的作用。其中一個用作輸出，另一個作為反饋，反饋是用來補(bǔ)償發(fā)光二極管時間、溫度特性的非線性。為了保證輸出光二極管產(chǎn)生的輸出信號與LED發(fā)出的伺服光通量呈線性比例，在選擇器件時，兩個光耦合器的特性應(yīng)盡量保持一致。輸出端所接的電壓跟隨器是為了保證輸出電壓的穩(wěn)定性。
3.2工作原理分析
由圖2可知：輸出電流、輸出電壓的表達(dá)式分別為：
I3=k3I1(1)
UO=R3I3=k3R3I1(2)
反饋電流為：I2=k2I1(3)
式(1)、(2)、(3)中k3、k2分別為電路中兩個光耦的電流傳輸比（非線性）。兩個光耦的特性近似一致，可認(rèn)為k2=k3，也即I2=I3。
此電路的工作原理如下：
在檢測電路調(diào)節(jié)過程中，Ui有兩種變化趨勢，當(dāng)輸入電壓Ui升高時，有Ui>R2I2，導(dǎo)致運(yùn)放輸出端電壓升高，通過發(fā)光二極管的電流I1也隨之增大，由于I2=k2I1，I3=kI1，I2、I3也增大，最終調(diào)節(jié)的結(jié)果是Ub=Ua=Ui，又因?yàn)镮2=I3，因此輸出電壓UO與輸入電壓Ui相等，UO隨著Ui的增大而線性增大。
反之，當(dāng)輸入電壓Ui降低時，運(yùn)放輸出端電壓降低，通過發(fā)光二極管的電流I1也隨之減小，與上類似，輸出電壓UO=R2I2也隨輸入電壓Ui的降低成比例地減小。
光耦的選擇對電路的影響非常大，當(dāng)光耦選擇不適當(dāng)時，k2與k3之間的差別比較大，但若此時k2與k3的變化是隨著通過光耦電流的大小變化成比例的，即：k2=αk3，如果α為常量，輸出電壓與輸入電壓仍然保持線性關(guān)系，檢測電路仍然能正常工作。但在一般情況下，α不是常量，導(dǎo)致檢測電路的輸出與輸入電壓不是線性關(guān)系，輸出電壓不會隨著輸入電壓的變化而線性變化[2]。此時檢測電路就不能正常工作。為了避免這種情況，應(yīng)盡量選用特性一致的光耦。
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4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
根據(jù)所設(shè)計(jì)的檢測電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時，調(diào)節(jié)輸入電壓Ui的大小，并檢測與之對應(yīng)的輸出電壓UO的大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1（a）所示。為了進(jìn)行對比，同時測出沒有反饋的光耦的輸入與輸出電壓關(guān)系，并列在表1(b)。根據(jù)表1中(a)、(b)的數(shù)據(jù)分別繪出檢測電路與單個光耦的傳輸特性，分別如圖3(a)、(b)所示。
表1 檢測電路與單個光耦的傳輸特性
圖3檢測電路與單個光耦的輸入輸出特性
(a)檢測電路的傳輸特性（b）單個光耦的傳輸特性
(a)檢測電路的傳輸特性（b）單個光耦的傳輸特性
由表1可知，在一定范圍內(nèi)，檢測電路的輸出電壓與輸入電壓是成正比地變化的。輸出與輸入電壓的比例系數(shù)幾乎保持不變。表1（a）中最后一行的比例變化比較大，之所以有如此大的變化，是因?yàn)榇藭r光耦的輸出電流已經(jīng)達(dá)到了飽和值，無論怎樣增加輸入電流，輸出電流都不會有大的改變[3]。圖3（a）也能很清楚地看出檢測電路中輸出與輸入電壓的比例關(guān)系是線性的。而表1(b)中的數(shù)據(jù)則表明單個光耦隔離時輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系比較復(fù)雜，只有在中間一部分有近似的線性關(guān)系。圖3（b）也表明了單個光耦的輸出輸入關(guān)系是非線性的。
由圖3(a)和表1(a)可知，檢測電路的輸出可以很好地跟隨輸入電壓的變化，并且實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出之間的隔離，精度較高，線性度較好（<1％ )， 在要求不是很精確的情況下，可以選用此檢測電路來檢測、反饋主電路的電壓、電流信號。
5 結(jié)語
根據(jù)目前電子產(chǎn)品市場的變動，本文提出了一種檢測電路，此電路具有隔離功能，并且隔離后的輸出電壓與輸入電壓成正比。因此這種檢測電路可用于檢測需要隔離的電壓、電流信號。此電路可代替原有的TIL300。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該檢測電路的可行性。此電路具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、精度高、線性度好的特點(diǎn)，可廣泛用于對精度要求不是很高、需要隔離并檢測、反饋電壓、電流信號的領(lǐng)域，如電力、化工、通信、冶金等行業(yè)。
