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 ·
