CN101013523A

CN101013523A - 高压电源高压隔离装置

Info

Publication number: CN101013523A
Application number: CN 200710019740
Authority: CN
Inventors: 雷元松; 刘余江
Original assignee: YANGZHOU SHUANGHONG ELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: YANGZHOU SHUANGHONG ELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2007-08-08

Abstract

高压电源高压隔离装置，属于光电技术领域，利用光导纤维高绝缘的特性，将其应用在高压电源高压隔离装置中，光导纤维的两端分别连接设置的低压端接口电路、高压端接口电路，因为信号是在光纤中传播，而光纤实际就是玻璃制造的，几米长的光纤，隔离几万伏的电压，足以使使用者放心，光纤技术从接收电信号到光能传输，再将光信号转换成电信号，这已经是一整套成熟技术，而且光能传输损耗极小，对于电源精确取样，精确控制都十分有利，完全能达到设计要求，本发明适用于10KV～50KV直流高电压、尤其是适用于30KV直流高电压的隔离，可确保人身安全。

Description

高压电源高压隔离装置

技术领域

本发明涉及一种高压电源高压隔离装置，属于光电技术领域。

背景技术

直流高压大电流电源的直流输出电压常在10KV～50KV之间，输出电流在0.1A-4A之间，输出功率已达200KW，有些负载，例如氮气激光管、氢气激光管、调速管以及其他类型的气体放电管，这些负载常常是由几组电源及其他负载进行合理组合而成的。因此用户常常要求，对高压电源的输出电压电流及其他故障信号必须在电源高压端获取，这样便产生了一个直流高压与操作者之间的高压隔离问题。

因为取样信号是在10KV～50KV直流高电压上获取的，一般的隔离技术已无法达到目的，例如，一个光电藕合器，其标称隔离电压是2000V，而实际使用中，只能以1000V来设计；又如霍尔电压传感器，或霍尔电流传感器，它们的标称隔离电压也仅2000V，都远不能达到设计要求。采用变压器隔离技术，由于所取的是直流电信号，将这些直流信号转换成交流信号，再由高压变压器传输，然后再在变压器次级将交流信号进行整流成直流信号，这样不但电路复杂，而且转换误差大，不可能达到精确测量和精确控制的目的，而且工艺复杂，要制作几只小功率高耐压的传输变压器，成本高。而且从用户角度来看，他们认为，不管你用什么隔离元器件，最终都是用导线传输过来，这样万一隔离元器件坏了，它不又将高压从导线传到操作者身上，发生人身安全事故。

发明内容

本发明的目的是针对现有光电藕合器、霍尔电压传感器、变压器等高压隔离器件不能达到隔离技术要求，或者是工艺复杂、制作成本高等不足，提供有效隔离高压，确保人身安全的一种高压电源高压隔离装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种高压电源高压隔离装置，其特征是所述的装置由四根光纤及四根光纤中三根光纤的发射端、一根光纤的接收端连接的由单片机输入输出端口连接的低压端接口电路，四根光纤中三根光纤的接收端、一根光纤的发射端连接的高压端接口电路及低压直流工作电源构成，高压端接口电路中的电压取样端外接高压电源输出端取样电阻的两端。

低压端接口电路由对应连接各发射端的三极管及其若干电阻和对应连接接收端的电阻组成的信号前置放大器构成，信号前置放大器经插座与单片机连接。

高压端接口电路由D/A转换器CAT5113，集成运放1C1、1C2，与或门组合电路CD4025，三极管Q1、Q2、Q3及其外围电路构成；高压端接口电路中的两集成运放的输出端分别经电阻连接两三极管，经其反相后送入或门电路CD4025，或门电路CD4025的输出经电阻连接的一个三极管反相后送入第四根光纤的发射端；D/A转换器CAT5113的RW端经电阻与集成运放1C2的输入端连接，D/A转换器CAT5113的各信号输入端分别连接三根光纤接收端光电三极管的集电极。

光导纤维是传播光脉冲信号的一种很细的玻璃丝，它的发射端是一个发光二极管，当电路中的电信号使这一发光二极管点亮时，这亮光便由光导纤维传至光导纤维的另一端，即接收端。接收端由光接收二极管和光电三极管组成。当接收二极管接收到光亮时，它的通电能力迅速增加，经光电三极管进一步放大，光电三极管导通，电流就能从光电三极管上流通，这就把光信号迅速转变成了电信号。光导纤维的光纤和接收端、发射端的光电器件的连接是用特殊加工工艺制成的，接收端和发射端最终都以一个8芯的插头引出。为了使光纤和低压接口板或高压接口板相连接，在高压或低压接口板上都制作了与光纤相配套的8芯插头座。这样在使用时，只要将光导纤维两端的接收和发射的8芯插头按设计的方向分别插入高压或低压接口板中的8芯插座，这样高压端电信号通过光纤就变成了低压端电信号，起到了高压到低压的信号传输和高压隔离作用。

本发明利用光导纤维高绝缘的特性，将其应用在高压电源高压隔离装置中，因为信号是在光纤中传播，而光纤实际就是玻璃制造的，几米长的光纤，隔离几万伏的电压，足以使使用者放心，光纤技术从接收电信号到光能传输，再将光信号转换成电信号，这已经是一整套成熟技术，而且光能传输损耗极小，对于电源精确取样，精确控制都十分有利，完全能达到设计要求，本发明适用于10KV～50KV直流高电压、尤其是适用于30KV直流高电压的隔离，可确保人身安全。

附图说明

图1为本发明与30KV0.3A电源连接的电路图。

具体实施方式

结合附图和实施例进一步说明本发明，本发明在实施例30KV0.3A电源中连接的电路图如图1所示，图中，T1-R1，T2-R2，T3-R3，T4-R4，分别是4条光纤的发射与接收端，T1-T4为发射端，R1-R4为接收端，当输入信号为1时(高电平)，发射端内部的发光二极管点亮，变成光线(光能)，光线沿着光导纤维传送到R端，R端的光线接收二极管接受到光能并立即转变成电信号，经光电三极管放大后送入接口电路。

接口电路分低压端接口板和高压端接口板，低压端接口板通过插座CZ2与单片机的输入输出P端口相连接，三极管Q21、Q22、Q23及其电阻R24-R29组成信号前置放大器。当CZ2的4脚输出高电平时，三极管Q21导通，其集电极电压为低电平，光纤发射端T1内的发光二极管截止不发光。反之当CZ2的4脚为低电平时，三极管Q21集电极为高电平，T1内的发光二极管通电发光。同理，三极Q22、Q23的工作原理与此相同。

高压端接口板主要由D/A转换器(数模转换器)CAT5113、集成运放IC1、IC2与或门组合电路CD4025，三极管Q1、Q2、Q3及其外围电路构成；高压端接口电路中的两集成运放IC1IC2的输出6脚分别经电阻R7，R8连接到两只三极管Q2，Q3的基极，经其反相后送入或门电路CD4025的11，12，13脚和1，2，8脚，CD4025的输出脚Y28脚，经R13送入三极管Q1的基极，经反相后送入第四根光纤的发射端；D/A转换器CAT5113的RW端5脚，经电阻R5与集成运放IC2的输入端的2脚连接。

第一、第二、第三根光纤的接收端R1，R2，R3的工作原理：如图所示，5V工作电源及地线，经8芯插头座的2脚及3，7脚由高压接口板送入光纤接收端R1，R2，R3的内部，供光敏接收二极管及光电三极管使用。高压接口板上的5V电源分别经电阻R9，R10，R11，再经8芯插头座的6脚进入光纤接收端R1，R2，R3的相应光电三极管的集电极。当三根光纤发射端T1，T2，T3的光敏二极管点亮或熄灭时，这三根光纤接收端R1，R2，R3的光电三极管就导通或截至，其集电极的电压就为低或高。该变化的信号就分别通过8芯插头座的6脚进入高压接口板D/A转换器CAT5113的1脚2脚和7脚，以改变CAT5113内部的数据寄存器的数据。

12V，5V，2.5V，-12V直流工作电源采用现有技术及成熟电路。

本电路主要是为获得高压电源主回路中的电流是否超过正常范围而设计的，若工作电流太大，超过了正常工作范围，这种状态称为过流。过流的发生一是象征着电源出了问题，二是负载出了问题。因此一旦发生过流，控制部件就要发出停机的指令，因此过流信号的检测是十分重要的，它是关系到电源和负载都能安全工作，不至造成重大经济损失的大事。

30KV高压的输出电流流经电阻R1时，将在其两端形成电压，由于电阻R1阻值为10W5.1Ω，设0.3A电流流过，电阻R1上电压应为1.53V。IC1为运算放大器，这里作电压比较器使用。IC1的2脚电压由调节电位器W1获得，由三极管Q4产生的2.5V电压经电阻R3和调节电位器W1串连的电路入地，因此调节W1，可使IC1的2脚获得最高为1.56V的电压，电流取样电阻R1上的电流如果超过0.3A，R1上的电压就超过1.53V，如果电流继续增加至0.306A时，R1的电压已达1.56V，此电压经R4传送至IC1的3脚，使IC1的6脚变成高电平，进而使三极管Q2的集电极变为低电平，此信号输入与或门组合电路CD4025，经CD4025的选择作用使CD4025的第6脚输出一个低电平，经三极管Q1的反相作用，使第四根光纤的发射端T4中的发生二极管点亮，经光导纤维传输至接收端R4，最终这一过流信号(GL，为低电平)送入CZ2的第1脚，由此进入计算机系统进行分析、控制。

上述电路中用调节电位器W1的方法来获得IC1的2脚的电压(即过流参考电压)的方法，只能确定一个过流参考值，一般用于最大的过流值。

由于负载的不同或试验的需要，用户希望能通过计算机操作来改变过流值的参考点。本电路中是由低压接口板中的Q21、Q22、Q23，第1～3根光纤，高压接口板中的CAT5113，运放1C2，晶体管Q3以及与或门结合电路CD4025来完成的。

CAT5113为数模转换器，计算机经CZ2的4脚将串行数据经第1根光导纤维送入CAT5113的第1脚，进而进入CAT5113的数据寄存器，并进而转化成模拟电压信号，经R5送入IC2的2脚变成过流信号的参考电压，当电源负载电流在R1上所形成的电压，超过这一参考电压时，JC2的6脚同样输出一个高电平，形成新的过流信号，再经Q3、CD4025，第四根光纤最终进入CZ2的1脚而进入计算机控制系统。这里CD4025起到了一个或的关系，无论是由IC1形成的过流信号或IC2形成的过流信号，都作为过流信号送入控制系统。

要想改变过流信号的参考电压，只要改变CAT5113中的数据寄存器的数值即可。而该寄存器中的数据改变有两种可能，一是增加，二是减少。加减信号由CZ2的2脚经第2根光纤，最终送至CAT5113的2脚，高电平为加，低电平为减。

CAT5113还有一个片选信号，即CAT5113的7脚，当7脚为低电平时，CAT5113才能接收来自1脚和2脚的信号，改变数据寄存器；当7脚为高电平时，不接收输入信号。片选信号是由计算机通过CZ2的2脚经第3根光导纤维传送到CAT5113的7脚的。这里CAT5113起到了数据电子电位器的作用，它可以通过数据的传输来改变过流信号的过流值。

Claims

1、高压电源高压隔离装置，其特征是所述的装置由四根光纤及四根光纤中三根光纤的发射端、一根光纤的接收端连接的由单片机输入输出端口连接的低压端接口电路，四根光纤中三根光纤的接收端、一根光纤的发射端连接的高压端接口电路及低压直流工作电源构成，高压端接口电路中的电压取样端外接高压电源输出端取样电阻的两端。

2、根据权利要求1所述的高压电源高压隔离装置，其特征是低压端接口电路由对应连接各发射端的三极管及其若干电阻和对应连接接收端的电阻组成的信号前置放大器构成，信号前置放大器经插座与单片机连接。

3、根据权利要求1所述的高压电源高压隔离装置，其特征是高压端接口电路由D/A转换器CAT5113，集成运放lC1、lC2，与或门组合电路CD4025，三极管Q1、Q2、Q3及其外围电路构成；高压端接口电路中的两集成运放的输出端分别经电阻连接两三极管，经其反相后送入或门电路CD4025，或门电路CD4025的输出经电阻连接的一个三极管反相后送入第四根光纤的发射端；D/A转换器CAT5113的RW端经电阻与集成运放lC2的输入端连接，D/A转换器CAT5113的各信号输入端分别连接三根光纤接收端光电三极管的集电极。

4、根据权利要求1所述的高压电源高压隔离装置，其特征是发射端包括接入电路的发光二极管。

5、根据权利要求1所述的高压电源高压隔离装置，其特征是接收端由接入电路的光线接收二极管和光电三极管构成。