光电隔离（共4篇）
光电隔离 篇1
在工业现场模拟信号的采集过程中,抗干扰是首先要解决的问题。如果不经隔离,各种电磁干扰信号就会和被测信号一起进入测量系统。干扰信号叠加在被测信号上,一方面降低了测量的准确度;另一方面,尖峰电磁脉冲将会给后级电路系统带来严重的破坏[1,2]。所以,模拟信号必须和后级的采集电路在电气上完全隔离。光电耦合器件利用光电转换,使用光信号进行信号传输,抗干扰能力强,性能良好,被非常广泛的应用在数传和采集系统信号隔离中[3,4,5]。 但是光电耦合器件由于发光二级管和光敏三极管的伏安特性,非线性失真非常严重,一般仅仅应用在数字信号的隔离中,对于模拟信号,不能直接使用光电耦合器件来进行隔离。对于数字光耦,可以使用反馈改善其输入输出的线性度,从而使用数字光耦得到模拟光电隔离电路。在此使用数字光耦TLP521-2和集成运放LM2904设计了深度负反馈电路,大大提高了光耦的线性度。试验表明:使用用数字光耦,经过负反馈电路设计,可以实现高精度的信号隔离。
1 数字光耦TLP521-2
TLP521-2是东芝公司的数字光耦器件,该芯片内部封装了两路独立的光耦,每一路光耦由一个发光二级管和一个光敏三极管组成。耦合原理:当给发光二级管加正向电压时,二极管导通发光,光线照射在光敏三极管的感光面上;如果同时给三极管的CE级加正向电压,则三极管的CE级产生集电极电流输出[2]。TLP521-2内部结构和管较排列如图1 所示。
由于二极管和三极管的伏安特性,光敏三极管集电极电流Ic和发光二极管正向电压Vf不是线性的[6,7,8],曲线图如图2所示。
2 深度负反馈电路设计
使用深度负反馈可以改善系统的线性度,根据这个原理,在此设计了模拟信号的光电隔离电路。在该电路中使用了1片LP521-2光耦和2片LM2904集成运放。LP521-2有两路光耦,其中一路用于信号转换,一路用于负反馈;运放2904-1A用于用于组成负反馈电路,运放2904-2A构成了电压跟随器,用于增加电路带负载能力。模拟信号光电隔离电路如图3所示。
电路输出电压和输入电压是线性关系:LP521-2的两路光耦通道的发光二极管串联,通过2个二极管的电流If1=If2。因为两路光耦封装在1个器件中,光电特性基本一致,理想情况下可以认为两路光耦的集电极输出电流相等,即Ice1=Ice2。
根据理想运放的性质[9],可以得到下面的公式:
所以Vo=(R2/R1)Vi,输出电压和输入电压成正比,比例系数由R1和R2确定。
3 电路具有输出保护功能
输出电压Vo=VCC-Vce,其中,Vce为光敏三极管c,e极的压降,所以,当输入电压很大时,输出电压Vo的值也不会超过VCC。这样就保护了后续电路,不受冲击电压的影响。增大VCC可以增大隔离电路的量程。
4 电路静态特性
使用可调稳压电源产生各种一系列不同电压加光电隔离电路输入端,并使用高精度数字万用表测量电路的输入/输出值,得到电路输入输出特性。表1列出了输入输出的典型值。(R1=R2=1 kΩ,VCC=12 V)。根据试验数据得到电路的输入输出曲线,如图4所示。
使用线性拟合[10],得到电路的理想特性曲线为:y=1.005 3x+0.003,线性度为0.014%。
5 结 语
光电隔离是模拟信号采集的一项关键措施,在此设计了线性光电隔离电路,该电路能实现模拟信号的隔离。当输入电压在在0~5 V范围内时,输出误差最大为27 mV,线性度达到0.014%。
参考文献
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光电隔离抗干扰技术及应用 篇2
关键词：耦合器件,光电隔离,抗干扰性,计算机接口
在实际的电子电路系统中, 不可避免地存在各种各样的干扰信号, 若电路的抗干扰能力差将导致测量、控制准确性的降低, 产生误动作, 从而带来破坏性的后果。事实证明, 采用隔离技术是破坏“地”干扰途径的抗干扰方法, 硬件上常用光电耦合器件实现电→光→电的隔离, 他能有效地破坏干扰源的进入, 可靠地实现信号的隔离, 并易构成各种功能状态。
1 光电耦合器件简介
光电耦合器件是把发光器件和光敏器件组装在一起, 通过光线实现耦合, 构成电——光和光———电的转换器件如图1。光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰, 主要有以下几方面的原因:
1) 光电耦合器的输入阻抗很小, 只有几百欧姆, 而干扰源的阻抗较大, 通常为105～106Ω, 干扰电压没有足够的能量使二极管发光, 从而被抑制掉了。
2) 光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系, 因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去, 避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
3) 光电耦合器的响应速度非常快, 其响应延迟时间只有10μs左右。
2 光电隔离技术的应用
2.1 微机接口电路中的光电隔离
微机接收来自远处设备传来的状态信号, 处理后输出各种控制信号去执行相应的操作。在现场环境较恶劣时, 会存在较大的噪声干扰, 会使控制准确性降低, 产生误动作。因而, 可在微机的输入和输出端, 用光耦作接口, 对信号及噪声进行隔离。如图2:主要应用在“A/D转换器”的数字信号输出, 及由CPU发出的对前向通道的控制信号与模拟电路的接口处, 从而实现在不同系统间信号通路相联的同时, 在电气通路上相互隔离, 并在此基础上实现将模拟电路和数字电路相互隔离, 起到抑制交叉串扰的作用。
2.2 功率驱动电路中的光电隔离
在微机控制系统中, 晶闸管所在的主电路一般是交流强电回路, 电压较高, 电流较大, 不易与微机直接相连, 可应用光耦合器将微机控制信号与晶闸管触发电路进行隔离, 如图3。
在马达控制电路中, 也可采用光耦来把控制电路和马达高压电路隔离开, 功率管的开关控制信号和大功率管之间需隔离放大级。在光耦隔离级———放大器级———大功率管的连接形式中, 要求光耦具有高输出电压、高速和高共模抑制。
2.3 远距离的隔离传送
在计算机应用系统中, 由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输, 信号在传输过程中很易受到干扰, 导致传输信号发生畸变或失真。为确保长线传输的可靠性, 可采用光电耦合隔离措施如图4:将2个电路的电气连接隔开, 切断可能形成的环路, 提高电路系统的抗干扰性能。若传输线较长, 现场干扰严重, 可通过两级光电耦合器将长线完全“浮置”起来。这样不但有效消除了各电路的电流经公共地线时所产生噪声电压形成相互窜扰, 而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配问题。
3 注意事项
在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源。当用光电耦合器来隔离输入输出通道时, 必须对所有的信号全部隔离, 否则这种隔离是没有意义的。
参考文献
[1]浦昭邦, 王宝光等.测控仪器设计[M].北京:机械工业出版社, 2001.
光电隔离 篇3
现代化的大型煤矿使用大量的大功率设备,一方面使得生产效率得以大幅度提高,但另一方面也产生了很多复杂的电磁干扰,造成电网的污染。这些干扰源通过耦合通道对嵌入式系统产生干扰,导致输出脱离计算机指令的要求,甚至引起设备事故。解决模拟信号通道引入干扰的一个有效的方法就是采用隔离技术,即将产生干扰信号的干扰源与测量系统隔离开。
目前,利用光电隔离方法进行模拟量隔离越来越受到欢迎,应用也更加普遍。本文给出一种利用高精度线性模拟光耦器件HCNR201光电隔离方法对模拟电压信号进行采集的电路,对隔离输出进行了软件补偿,并通过实验证明了该方法的正确性。
1 应用电路的实现
具体应用电路如图1所示,将PD1接入到输入电路,用来检测和稳定发光二极管发光的强度,则PD2作为输出电路的一部分与测量电路实现了电气隔离。运放U1A构成负反馈放大电路,PD1接在U1A的输入端,完成对LED输出光信号的检测,并自动调整通过LED的电流,以补偿LED光强随温度变化引起的非线性,因此该反馈放大器主要用于稳定LED的光输出并使其线性化。U2A构成电流电压转换电路,U2A和R2将PD2转换为电压输出。R3为LED的限流电阻,C1、C2起反馈作用,用于改善电路的高频特性,提高电路的稳定性,消除自激振荡,滤除电路中的毛刺信号,降低电路的输出噪声,其容值可根据电路的频率特性来选取。
根据运放的“虚短”特性得到
根据运放的“虚断”特性得到
输出电压为:
由式(3)可以看出,由于K为一定值,只要合理选择R1和R2就可以配置输入输出电压之间的比例。
本电路VCC1、VCC2分别采用单12V电源,输入电压Vin1范围为1～5V。选择输入电压等于输出电压,即R1=R2,LED最大输入电流If选在20mA,LED的限流电阻选500Ω,最终选择R1=R2=100kΩ,IPD1和IPD2电流大小在10～50μA之间。
EWB电路仿真结果如图2所示。从图中可以看出,输入输出的线性度很好,误差在5%以下。实际应用中可以通过调节K或在一定条件下调节隔离偏移量,通过硬件线性隔离加软件调整可以使电路达到很高的精度。
2 线性补偿实现
通过测量获得模拟量输入信号电压和经过光耦隔离放大后的输出信号电压,为用软件获取拟合多项式和程序实现软件补偿提供了数据。
这些数据是指在实验室条件下的模拟量输入测量数据。为了保证测量数据准确性和一致性,以及以后拟合误差达到最小,必须对信号输入源严格要求,采用精度高的信号源,还要在所测数据的选择上慎重考虑,两组测量数据之间的间隔不要很大。具体测量方法为:利用ADT700模块的DAC功能,输出0～6V的输出电压作为进入信号调理电路的模拟量输入信号(系统实际输入电压1～5V),ADT700模块每输出一个电压值利用ADT700模块的ADC功能测得调理电路的模拟量输出信号,这样就会有一组一一对应的输入和输出数据,根据这些数据利用补偿软件得出拟合函数。补偿软件的流程图,如图3所示。
由于模拟量的输入与隔离后的输出信号之间是线性的关系,所以在拟合中采用一次拟合函数y=ax+b,以模拟量的输入为x,隔离后的输出信号为y,基于VB和MareixVB的数据拟合补偿软件求解a,b。
图4为拟合之前输入输出曲线。图中“Matrix Viewer”窗口中的2组数据为拟合得到的函数系数,a=0.991,b=0.001979得到拟合函数:
y=x,0.991+0.001979 (4)式中:x为隔离后A/D转换值,y为补偿后隔离前输入值。
通过在数据采集程序中加入这个公式,对A/D得到的数值x进行运算可以获得较高精度的数据y。实验证明,补偿后的输入输出误差可以控制在0.5%以内。图5所示为补偿后的输入输出曲线和
拟合函数系数,通过比较可看出,系统数据采集精度大幅提升。
3 结束语
给出了利用高精度线性模拟光耦器件HCNR201进行模拟电压电气隔离的基本原理和硬件电路,对输出电压进行了软件补偿,并用试验的方法验证了该方法的可行性和正确性。该方法测量电压线性度好,测量精度高,在嵌入式煤巷突出预测系统中得到了很好的应用。
参考文献
[1]王远.模拟电子技术.北京:机械工业出版社,1999
光电隔离 篇4
关键词：DCS分散型控制系统:SIEMENS S7 PLC,变送器WS1525,热电偶
1 改进构想
锅炉热工控制系统对锅炉的安全运行起着至关重要的作用。本监控系统的信号电平为:模拟信号4~20m A, 此为每台锅炉控制系统中的模拟量模块对锅炉现场的炉膛负压、汽包水位、省煤器进口水压、省煤器出口水压、鼓风机出口压力、省煤器进口烟压、省煤器出口烟压、蒸汽流量、炉膛温度等17个现场的热电偶及压力、压差变送器等4~20m A模拟量信号的采集, 进而达到检测、监控运行中锅炉运行参数, 实现锅炉的安全运行。本次改进解决的是, 当现场的热电偶及压力、压差变送器等遭遇直击雷或突然串入系统的强电时, 即使现场的热电偶及压力、压差变送器等损坏, PLC控制系统中的模拟量模块由于加装的光电隔离器 (型号为WS1525) , 隔断了大电流串入模拟量模块的可能性。模拟量模块不至损坏。从而达到了保护模块的作用, 并避免了更换模块造成停炉的事故发生, 尤其在冬季, 锅炉停炉会直接影响全矿井供暖, 尤其对副井提升构成威胁, 会造成井筒结冰影响安全提升, 更加严重的会发生冰凌伤人等恶性事故, 同时增加光栅隔离也间接消除了接地回路的干扰, 确保了锅炉的安全运行。
2 改进方案及工作原理
隔离信号变送器/分配器是在自动化控制系统中对各种工业信号进行变送、转换、隔离、传输、运算的仪表, 可与各种工业传感器配合, 取回参数信号, 隔离变送传输, 满足用户本地监视远程数据采集的需求。用来完善和补充系统模拟I/O插件功能, 增加系统适用性和现场环境的可靠度。本次利用原PLC热工控制柜及内部接线, 将光电隔离器 (WS1525) 串接在现场的热电偶及压力、压差变送器与模拟量模块之间就顺利实现了这一功能。如图1所示:
3 改进的优点分析
1) 利用光电隔离器的特点对输入和输出电路进行隔离, 保护模块、降低干扰。
2) 利用原有资源, 投入小, 见效大。
4 结束语
本改进对锅炉热工控制系统中的模拟量模块与现场的热电偶及压力、压差变送器之间加装的光电隔离器, 能够起到保护模块, 降低损失、消除干扰的作用。对于最大限度消除停炉影响, 保证全矿供暖, 尤其是提升井口生产供暖产生的间接经济效益更是不可估算。
参考文献
[1]谭长森, 孙鹏, 郭峰.基于PLC的矿井主扇风机自动监控系统的设计[J].工矿自动化, 2007 (6) :106~107.
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