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采用光电线性隔离技术的安全栅电路设计

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    标    签:安全栅电路

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    一种采用光电线性隔离技术的安全栅电路设计

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    维普资讯 http://www.cqvip.com 哈尔滨工业大学  T?2 74  致  1 概  述  在工业及国防测控系统中 ,安全栅是一种  广泛使用的部件。其主要作用为 :  (1)对现场、测控系统及供 电电源三者之  问提供 电气 隔离 。  (2)为测控对象提供安 全接 口。在任何情  况下(如开路、短路)馈入现场 的电压和电流不  应超 过 3ov 和 35mA。  (3)信 号转 换 。如将 4  20mA 电流信 号转  换成 l  5V 电压 信号 ,或将 1— 5V 电压转 换  成 4  20mA 电 流 。  (4)为 4  20mA 电流输出的二线制变送  器 提 供隔离 电源 。  在我国电动 Ⅲ型系列 自动化仪表中,安全  栅本身是一块 单元仪表。由于其采用脉冲变压  器隔离方法 ,具有俸积大、电路复杂、功耗大 、通  颡带窄等不足 。应用表 明,它也是故障率较高的  单元 。本文设计的安全栅采用全新的方法 ,克服  了以上不足。在多种工业现场的应用表 明,它具  有可靠性高,使用、调校方便,性能价格 比高等  优点。主要性能指标如下 :  电源 电压 :24VDC ±5%  电源电流 :≤ 2OmA(空载 ),≤5OmA(输 出  电流为 20mA 时 )  输入 信 号 :二 线 制 、三 线 制 4 — 20mA 电  流 ,或 1  5V电压  输 出信号 :1 — 5V 电压 (最 大 驱 动 能 力 为  20mA)和 4  20mA 电流 (最 大驱 动能力 为  Ik_O  线性 度 :忧 于 0.2%  隔离 电压:输入与输 出之问为 2500VAC,  电源与输入和输 出之间为 1000VAC  隔离部分之问分布电容 :不大 于 t0pF  2 电路原 理  本文设 计 的安全 栅电 路主要 由 DC—lDC  隔离电源、光 电隔离电路、信号变换电路和保护  电路等组成 。参考电路原理 图如 图 l所示 。  隔离 电源采 用他 激式 阻容耦 合 共 发射板 对  称驱动结构。这种结构工作稳定 ,效率高且一般  不 需 要调 整 。激 励级 为 CMOS定 时器 7555构 成  的多 谐振蔼 器 ,振苗 频率 约 为 40kI-Iz。激 励信 号  通 过 R3、C10、CII和 R5、R6耦 合到 三 板 管 T1、  T2的基板 与 发射板 之问 。根据 图 中参 数 很 容 易  算 出 TI、T2导 通 时 的基 极 电流 约为 1.4mA,截  止时基射反压约为 4.8V。对 中小功 率 晶体管 ,  这种驱动方式 的开关速度是满意 的。考虑到激  励信号上 升及下降沿的时间,两三板管的反 向  截止 电压 总是 先 于 另一 管 的 基板 电流 建 立 ,这  可保证两三板管不会 出现同时导通 的现象。由  于两管的基板驱动 电流的限制,当一只管击 穿  或电源输 出短 路对 ,对另一只管及供 电电源均  不会造成明显的影响。在电源负载正常对 ,两 晶  体管导通时的饱和度为 1.5  2,饱和压降仅为  0.2—0.3V,功耗极小。从晶体管集电板输 出的  方波 经黼 直 电容 加 蓟 脉 冲变 压 器 的初 级 ,对 脉  冲变压器的这 种驱动方式可有效地防止磁饱和  并提高磁心 的利用率。整流电路采 用平衡倍 压  整流结构 ,这种结构对高压小电流较为适合 ,郎  可保 证变 压 器 正负 半 周 负载 平 衡 ,而 且 串联 电  容 ICI、2cl可起蓟短路限流作用。  · 3l ·  维普资讯 http://www.cqvip.com 图 1 安全梧 电路 原理 图  耦 0l构成 ,其原理如图 2所示 。光电耦合器 的  电流输 出特性一 般 可表 示为  Ic= Q(IL,T)  其 中,Ic为光敏晶体管的集电极电流 ,【L为发光  二极管的驱动电流,T为温度,Q表示非线性 函  数 ,其特性 曲线如图 3所示。由于制造工艺的差  图 2  光 电线性 隔离电路 原理  异,同一封装 中的两光耦的特性 曲线也不一致 ,  主要表现为死 区和灵敏度两方 面的差异 ,如 图  所示 。在量程范围内(【L取 0.2一lmA精度较  高),两光耦特性 曲线的关系可l近似表示为  QZ(IL,T)= KQt(IL,T)+10  于 是 有  v∞ =Q2(【L,T)R2:【KQt(IL,T)+Io]R2  O  1L  图 3 光耦 的电流传 输特性示意 图  = KQt(IL,T)R2+I  、,i= Vl0l+V0s= RIQt(IL,T)+Vos  困两光耦 的温度 和驱 动电流相 同,故 当 Rl=  K  和 Vos=  2时 ,有  V02 = Vi  由于 V02与 Vi无 电气 的联 接 ,这就 实 现 了模 拟  线性光电隔离 电路 主要 由运放 U2和双光  信号的线性隔离。  · 32 ·  维普资讯 http://www.cqvip.com 可 。U2不 宣使 用牺 舒遥放 ,因为 精 密 运放 的 调  零范 疆较小 .U2的零点调 整范 围应在 50mV  上 。光 电耦台器 01的安装不 盅靠 近热 源 ,以倪  证两光 耦温 度 的 匹配 。Dc— c 电 源 的 脉冲 变  压 器 嚣专门削 难 ,磁心使用 带绝 缘层 的  l0铁  O  】l   图 4  两 光 耦 的 特性 曲线 偏 差示 意 圈  氧体磁 : L6用直 径 0.3毫米高 强漆包线绕 18  匝 ,IJ2、L3绕 24匝 ,三绕 组 之 问密 探 持一 定 的  间隔 ,并 做浸漆处 理。  实际上 ,两 光 电耦 台器 电流 传 输 特性 不 只  存在死 区和 灵敏 度的差 异 ,曲线 的形状 也不 一  致 ,通过 两 点进行 线 性逼 近并 l不能使 两 曲线 完  全重合 。通 过 精 心调 整 R2和 Vos,可在 全 量 程  内使输 人 与 输 出 之差 在 ± 7mV 以内 ,即具 有  O.2级 的 精 度。大 量 实 验 证 明 ,对 于 双 光 耦  521—_2,V0s的调 整范 疆约需 数 十 毫伏 ,  的 调  整范 围约需 25%。  1  电压信号 和外供 电源的 4  20mA  的 电流 信 号 由 B c端 接人 ,B端 为 正 。对 4 —  20mA 电流 需 接 通 JP1,由电 阻 m 6(250& ±  0.05%)转 换 成 电压 。1T1和 1'I"2构 成 的 限 流  电路 在 A、B 或 A、c短 路 时 ,将 电 流 限 制 在  30mA以 内 。经 光 电 隔离 的 信号 由电压 跟 随 器  U1:A 驱动 后 作 电压 输 出 ,2112为 输 出 限流 保  护 电阻 ,21)3为输 出过压 保护二极 管。该 电压再  由 U1:B进行 v/I转 换作 恒 流输 出 ,21)4可 限  电路的调 整十 分 方便 ,只 需 要 一块 四位 半  以上 的数字 多 用袭 首先 检 查 电源 的工 作频 率  和输 出 电压 是 否正 常 ,在 电源稳 定 工作 的情 况  下 ,通 电 十 分 钟 后 开 始 调 整 。在 A、B 接 一  30k/2w 多 圈电位器(接成可 变 电阻 )R,并接 通  1,对两运放 的失调 电压 和两光 耦 的死 区偏 差  进行统 一调 整 ,按 如下步骤进 行 :  (1)调 节 电阻 R 使 B、,c端 电压 为 4伏 左  右 ,然后调 节 电位器 2W1使输 出端 电压 v0与  B、C端 电压相等 。  (2)调节 电 阻 R 使 B、c端 电 压 为 2伏 左  右 ,然后 调节 电位器 1WI使 输 出 端 电压  与  B、c端 电压相 等。  (3)重 复(1)、(2)过程 3—4遍 。  (4)调节 R使 B、C蛹 电压分别 为 I一2 3、4、  5伏 ,检 查 v0的输 出是 否 在所 要求 的误 差 范 固  内 ,对个  超 差的需更换光 耦重新 调整 。  制非 正常状 态下 的开路 电压 。1D3和 2D5构成  的 稳 压 电路 保 证 了两 光耦 具 有 相 同的 工 作条  件 。  4 结束语  本 文设计 的光 电隔 离安 全栅 电路 ,电路 简  洁 ,性 能 可靠 ,成本低 ,可 做成一只 模件 ,并 已产  3  电路的安装与调整  因安全 栅用来 传箍 大信 号 ,对 运 算放 大 器  的失 调 电压 和温 漂要求 不 高 ,使用通用运 放 即  品化 ,实验及 工业现场 的应 用表 明 ,其各 项性能  指标 均 满足 要求 ,可替 代 原有 脉 冲变 压器 隔商  的单 元式安 全栅 。  · 33 · 

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