采用光电线性隔离技术的安全栅电路设计

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 ·