一種實(shí)用的線性隔離檢測電路

摘要：提出一種有隔離功能并且可以用來檢測反饋直流電壓、電流信號的電路，此電路可以代替精密線性光耦合器TIL300。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了此電路具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、線性度好、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：隔離放大器光電耦合器

A Practical Detecting Circuit for Linear Isolation

Abstract： A new type of detecting circuit is introduced and analyzed in this paper which can be used to replace the precision linear photoelectric isolator TIL300 in isolating DC voltage or DC current situations. The experiment proves that the circuit offers many virtues such as simple structure, high precision, fine linearity and low? cost.

Keywords： isolation amplifier, photoelectric isolator

中圖法分類號：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：0219?2713(2000)11?600?03

　　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(gè)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?，F(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(gè)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(shí)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。

2TIL300簡介[1]

TIL300精密線性光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

TIL300精密線性光耦合器是由一個(gè)紅外光LED照射分叉配置的一個(gè)隔離反饋光二極管和一個(gè)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(gè)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(shí)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。

圖1TIL300結(jié)構(gòu)示意圖

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。

檢測電路主要由兩個(gè)普通光電耦合器、兩個(gè)運(yùn)放和電阻、電容構(gòu)成。兩個(gè)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(gè)用作輸出，另一個(gè)作為反饋，反饋是用來補(bǔ)償發(fā)光二極管時(shí)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(shí)，兩個(gè)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(gè)光耦的電流傳輸比（非線性）。兩個(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，k2與k3之間的差別比較大，但若此時(shí)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(shí)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。

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(shí)，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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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

圖2檢測電路構(gòu)成

圖3檢測電路與單個(gè)光耦的輸入輸出特性

(a)檢測電路的傳輸特性（b）單個(gè)光耦的傳輸特性

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(gè)光耦隔離時(shí)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(gè)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)。