CN102522889A - 一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法。它至少包括过滤过压保护电路、电源窃电电路、光电隔离稳定放大电路和光电隔离电路，4至20毫安的电流源直接与过滤过压保护电路的输入端导通，过滤过压保护电路的输出端与光电隔离稳定放大电路的输入端导通，光电隔离稳定放大电路的输出端驱动若干路光电隔离电路，其特征是：隔离前电源窃电电路是整个电路的工作电源；电源窃电电路通过取样电阻与过滤过压保护电路串联，取样电阻的另一端与过滤过压保护电路的输出端导通，并导入光电隔离稳定放大电路。该电路具有电路结构简单、精度高、线性度好、成本低和低功耗等优点。

Description

一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法

技术领域

本发明属于电子测量、信号转换领域，是一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法。

背景技术

在现代化工业信息自动化数据采集中，4~20mA电流环信号已经成为主要的信号传输标准之一，而对该信号进行隔离转换，是提高系统安全性较为常用的技术手段。传统的模拟信号线性隔离的方法主要有两种：一是采用光电隔离，二是变压器隔离。前者的信号采用光电耦合器隔离方式实现，隔离前后电路的工作电源一般由采集设备的工作电源通过变压器隔离方式的DC/DC获得；该方法成本较低，体积较小，但因采用普通的方法使用光耦的线性段和线性度不同，很难实现高线性度；电源采用DC/DC转换方式不可避免地引入不必要的电源噪声，降低系统测试精度。后者电源和信号一般都采用变压器隔离形式，隔离前后电路电源由系统电源经变压器隔离方式的DC/DC提供，信号在隔离传输前先调制为数字脉冲后再经变压器隔离，最后再解调为模拟信号来实现；该方法方便实现多路隔离输出，但电路复杂、成本较高，同样存在前者方法中的DC/DC带来噪声的弊端，影响系统测试精度。以上两种方法还有更大的弊端：虽然测量系统与被测系统之间为电气隔离，但隔离前后系统存在电磁耦合信号的传输，被测系统容易受测量系统的干扰和影响，系统的独立性和安全性不高；由于采用了DC/DC电源转换形式，电路基础功耗大。有些在易燃易爆环境下对电路功耗控制极为苛刻的仪器仪表，该弊端尤为显现，以上两种方法将无法使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法，采用电流窃电方式，并利用普通的光电耦合器和运算放大器实现模拟信号高线性隔离转换。

本发明的技术方案是一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法，它至少包括过滤过压保护电路、电源窃电电路、光电隔离稳定放大电路和光电隔离电路，4至20毫安的电流源直接与过滤过压保护电路的输入端导通，过滤过压保护电路的输出端与光电隔离稳定放大电路的输入端导通，光电隔离稳定放大电路的输出端驱动若干路光电隔离电路，其特征是：隔离前电源窃电电路是整个电路的工作电源；电源窃电电路通过取样电阻与过滤过压保护电路串联，即取样电阻的一端与电源窃电电路导通，取样电阻的另一端与过滤过压保护电路的输出端导通，并导入光电隔离稳定放大电路。

所述的取样电阻串联位置由电源转换电路的转换形式决定；当采用倍压或升压转换时，取样电阻位于电源窃电电路的电流进入端，当采用负向转换时，取样电阻位于电源窃电电路的电流流出端。

所述的过滤过压保护电路是由两级过压过流π型网络保护电路和四个二极管构成的克服极性限制的二极管整流桥导通构成，两级过压过流π型网络保护电路是由限幅二极管和两根保险丝分别导通构成。

所述的限幅二极管是双向肖基特限幅二极管或由两个单向限幅二极管反向串联构成的双向电压限幅的双二极管。

所所述的述的电源窃电电路是由一个实现电流源Ii-电压源Uo的转换的工作电流范围宽的并联型稳压器电路和一个由Uo得到大于Uo工作电源范围的电压倍压、升压或负向电源转换电路构成。

所述的光电隔离稳定放大电路一个高输入阻抗放大单元电路和一个光电耦合器及其外围阻容器件组成的稳态反馈放大电路；光电耦合器是普通的光电耦合器或线性光电耦合器，光电耦合器的发光器是光电二极管，受光器是光敏三极管或光敏二极管。

所述的高输入阻抗放大单元电路是运算放大器电路、场效应管电路或三极管电路，或者其组合构成的复合电路。

所述的若干路光电隔离电路，每路光电隔离电路的输入、输出之间及每路光电隔离电路的输出之间都采用电气隔离；光电隔离电路中的光电耦合器采用普通光电耦合器。

本发明的特点是：1、电路的隔离前输入端转换电路，无需单独提供电源，也无需由隔离后端电源转换提供，信号隔离前后没有电能信号的传递，只有光信号的传输，实现了真正的模拟信号转换电气隔离。

2、利用普通的运算放大器和光耦，设计了一个低成本、高精度、高线性度的隔离电路，电路结构简单，但精度却可达万分之五，甚至优于价格昂贵的专用线性隔离或集成线性隔离运放电路。

3、电路的输入输出端等效负载很小。电路的输入压降较小，对原有信号回路影响小，能普遍满足原有测量系统电路的要求；隔离输出电路对其采集和供电电路的负载能力要求很小，可控制到1mW以内，完全可以满足对电路功耗要求较为苛刻的场合，如易燃易爆场合用的本质安全型电气设备。

4、电路的隔离输出可以同时扩展驱动多路输出，且每路之间都为光电隔离，满足一个信号源同时供多路隔离采样使用，各采样回路之间安全性大大提高。

5、电路可以满足目前常用的模拟量隔离栅或隔离模块的信号转换要求，完全可以替代它们的主要转换电路；该电路可以集成制作成微型模块，作独立的芯片使用，方便用户设计。

附图说明

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明：

图1是倍压或升压转换时无源线性光电隔离转换电路的设计方法的电路图；

图2是负压转换时无源线性光电隔离转换电路的设计方法的电路图。

图中：1、过滤过压保护电路；2、电源窃电电路；3、光电隔离稳定放大电路；4、光电隔离电路；5、取样电阻R1。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，两级保险丝F1与限幅二极管Z1和保险丝F2与限幅二极管Z1分别导通构成的两级过压过电流π型网络保护电路结构，限幅二极管Z1是双向肖基特限幅二极管。

π型网络保护电路结构与四个二极管D1至D4构成的克服极性限制的二极管整流桥导通构成了过滤过压保护电路1，二极管D1至D4采用肖基垒二极管，以减小环路压降。由于过滤过压保护电路1可以使整个电路不分极性的接入被测回路。

窃电转换电路2包括一个实现电流源Ii-电压源Uo转换的工作电流范围宽的并联型稳压电路Z2和一个由Uo进行电压倍压或升压或负向电源得到更宽工作电源范围的转换电路U1，但后者电压转换对其负载电路来说是必要的但不是必须的，只是提供更宽的器件选择范围。并联型稳压电路Z2可以是稳压二极管、固定的电压基准源或可调的电压基准源。隔离前窃电转换电路2作为整个电路的工作电源，驱动整个电路。

光电隔离稳定放大电路一个高输入阻抗放大单元电路U2和一个光电耦合器U3及其外围阻容器件组成的稳态反馈放大电路；光电耦合器是线性光电耦合器，光电耦合器的发光器是光电二极管，受光器是光敏三极管或光敏二极管。

光电隔离稳定放大电路3的输出端驱动光电隔离电路4，光电隔离电路4包含两路光电隔离电路，两路光电隔离电路的输入、输出之间及两路光电隔离电路的输出之间都采用电气隔离；光电隔离电路中的光电耦合器U4、U5采用普通光电耦合器。

取样电阻5的一端与电源窃电电路2的的电流进入端导通，取样电阻5的另一端与过滤过压保护电路1的输出端导通，并导入光电隔离稳定放大电路5。

工作时，4至20毫安的电流源直接与过滤过压保护电路1的输入端导通，电流源经过过滤过压保护电路1后，在取样电阻R1处获得与输入的电流信号源Ii（即4~20mA电流）呈线性的电压信号VA；光电隔离器件U3的受控信号在R3上产生的电压VB作为放大电路的反馈信号，U3的控制信号Io作为放大电路的输出，而此控制信号以电流形式进行输出，从而完成Ii与Io的线性转换；电流Io通过与隔离稳态放大电路中特性相同的另一光电隔离器件U4后，通过和光耦U4相连的输出电阻，输出与Io呈线性的电压Vo1，因而得到电压Vo1与Ii也呈线性关系；并且电流Io可同时驱动两路光电隔离电路，以达到两路的无源电流环信号的线性光电隔离转换。

具体工作原理如下：正常情况下，保护电路P1中的F1、F2阻值很小，电压保护器件Z1的漏电流可以忽略，被测电路中的4～20mA信号通过F1、F2后，经D1至D4极性转换整流，然后给电源窃电稳压电路和取样电阻R1，电路工作正电源VCC由Z2直接得到，负电源VEE由VCC反向电源转换获得；由于运算放大器U2的输入端输入阻抗很大，R1的A端到运放U2的输入电流可以忽略不计，因此R1的电流等于被测回路电流Ii。当电路输入超出允许电压电流时， Z1限幅和F1的限流形成第一级保护，第一级的残余电压由Z2和F2形成第二级保护，使其他电路工作在安全可靠的范围内。

具体电路计算分析如下（以n条光电隔离电路计算）：

电路被测电流信号为Ii，该电流流经R1后在A点产生的电压为UA（参考点为GND），当被测电流Ii增大时，UA点电压降低，运放U2的正端输入电压相应降低，则运放U2的输出电压变低，光耦U3的控制电流Io随之增大，UB点的电压也随之降低，运放最终达到稳态；反之，控制电流Io减小。

计算分析如下：

UA=Ii*R1     …………………………………………………⑴

UB=Ir3*R3    …………………………………………………⑵

由于运放U2的输入端为“虚短”特性，则有

UB=UA  所以

Ii*R1= Ir3*R3 

即Ir3 = Ii*R1/R3  ……………………………………………⑶

光耦U3的电流传递系数为K1，光耦的控制电流为Io，则有

Io= Ir3/K1 ………………………………………………………⑷

⑶代人⑷，得

Io= Ii*R1/(R3*K1) ……………………………………………⑸

光耦U4与光耦U3的控制电流Io相同，光耦U4的电流传递系数为K2，所以

光耦U4的输出端电流Io1=K2*Io

即：Io1=K2* Ii*R1/(R3*K1)  …………………………………⑹

所以：

Vo1=R4*Io1=R4*K2* Ii*R1/(R3*K1) …………………………………………………⑺

因为电路中的光耦为同一封装或同批次的光耦单元，电流传递系数K相同或比值不变，所以

Vo1= Ii*R4 * R1*K0/R3   （其中K0=K2/K1）………………⑻

即：Vo1=Ii*K   其中K= K0*R4 * R1/R3………………………⑼

因此，隔离后的电压输出Vo1与输入电流Ii呈线性关系。

光耦U4的输入输出是隔离的，因此电路输出Vo1达到了与输入Ii的线性隔离。同理如果需要多路信号线性隔离，在U4的输入端串联多路相同特性的光电耦合电路即可实现多路线性隔离转换。

由于光耦U3、U4…Un的电流传输系数不可能完全相同，电阻R1、R4、R5的阻值都存在一定的误差，运放也并非真正的理想运放，因此得到的不是器件参数的计算理论斜率且存在固有偏差，但是线性度依然很好，斜率的偏离和固有偏差可以通过后面电路硬件调整处理或信号采样后经软件计算进行修正解决。

试验表明，在输入4～20mA信号测量时的输出电压和输入电流的线性度可以保证0.05%。电路输入电压产生的压降只有2.7V，如果在某些不需要极性转换的应用场合，电路压降可以达到只有2V，对被测信号系统影响较小。

以下是实测的数据及结果分析：

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1的结构基本相同，不同的是由于采用负压转换，所以取样电阻5位于电源窃电电路2的电流流出端，即取样电阻5的一端与电源窃电电路2的电流流出端导通，取样电阻5的另一端与过滤过压保护电路的输出端导通，并导入光电隔离稳定放大电路。

与实施例1不同的还有光电隔离电路4包含三路光电隔离电路，三路光电隔离电路的输入、输出之间及两路光电隔离电路的输出之间都采用电气隔离；光电隔离电路中的光电耦合器U4、U5、U6都采用普通光电耦合器。光电隔离电路4的具体数量可以由实际情况需要决定。

本实施例与实施例1可以达到相同的效果，同样具有电路结构简单、精度高、线性度好、成本低和低功耗等优点。

光电耦合器、运算放大器以及电路实施过程中的配电路和配电元件是本领域经常使用的，在此不作详细说明。

Claims (8)

1.一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法，它至少包括过滤过压保护电路、电源窃电电路、光电隔离稳定放大电路和光电隔离电路，4至20毫安的电流源直接与过滤过压保护电路的输入端导通，过滤过压保护电路的输出端与光电隔离稳定放大电路的输入端导通，光电隔离稳定放大电路的输出端驱动若干路光电隔离电路，其特征是：隔离前电源窃电电路是整个电路的工作电源；电源窃电电路通过取样电阻与过滤过压保护电路串联，即取样电阻的一端与电源窃电电路导通，取样电阻的另一端与过滤过压保护电路的输出端导通，并导入光电隔离稳定放大电路。

2.根据权利要求1 中所述的一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法，其特征是：所述的取样电阻串联位置由电源转换电路的转换形式决定；当采用倍压或升压转换时，取样电阻位于电源窃电电路的电流进入端，当采用负向转换时，取样电阻位于电源窃电电路的电流流出端。

3.根据权利要求1中所述的一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法，其特征是：所述的过滤过压保护电路是由两级过压过流π型网络保护电路和四个二极管构成的克服极性限制的二极管整流桥导通构成，两级过压过流π型网络保护电路是由限幅二极管和两根保险丝分别导通构成。

4.根据权利要求3中所述的一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法，其特征是：所述的限幅二极管是双向肖基特限幅二极管或由两个单向限幅二极管反向串联构成的双向电压限幅的双二极管。

5.根据权利要求1中所述的一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法，其特征是：所述的述的电源窃电电路是由一个实现电流源Ii-电压源Uo的转换的工作电流范围宽的并联型稳压器电路和一个由Uo得到大于Uo工作电源范围的电压倍压、升压或负向电源转换电路构成。

6.根据权利要求1中所述的一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法，其特征是：所述的光电隔离稳定放大电路一个高输入阻抗放大单元电路和一个光电耦合器及其外围阻容器件组成的稳态反馈放大电路；光电耦合器是普通的光电耦合器或线性光电耦合器，光电耦合器的发光器是光电二极管，受光器是光敏三极管或光敏二极管。

7.根据权利要求6中所述的一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法，其特征是：所述的高输入阻抗放大单元电路是运算放大器电路、场效应管电路或三极管电路，或者其组合构成的复合电路。

8.根据权利要求1中所述的一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法，其特征是：所述的若干路光电隔离电路，每路光电隔离电路的输入、输出之间及每路光电隔离电路的输出之间都采用电气隔离；光电隔离电路中的光电耦合器采用普通光电耦合器。