CN102854367A

CN102854367A - 一种用于检测太阳能电池组件电压的传感器

Info

Publication number: CN102854367A
Application number: CN2012103642453A
Authority: CN
Inventors: 戴君; 周金龙; 田群; 朱冬宏; 张凯
Original assignee: KINGSHORE NEW RESOURCES ELECTRIC JIANGSU CO Ltd
Current assignee: KINGSHORE NEW RESOURCES ELECTRIC JIANGSU CO Ltd
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明涉及一种电压传感器，尤其是一种用于检测太阳能电池组件电压的传感器。本发明包括太阳板接入电路、前置放大器、光耦、后置放大器，利用光耦输出电压反馈调节前置放大器的输出电压，同时利用光耦实现光电检测。利用软件算法来提高采样的精度。本发明具有电路设计简单，成本低，可靠性高。

Description

一种用于检测太阳能电池组件电压的传感器

技术领域

本发明涉及一种电压传感器，尤其是一种用于检测太阳能电池组件电压的传感器。

背景技术

众所周知，太阳能是一种储量极为丰富而且清洁无污染的可再生能源，一旦太阳能成为被广泛利用的能源，它将极大的缓解人类的能源危机，改善人居环境。太阳能发电领域应用到对太阳能电压电流监控单元。通过对太阳板电压的监控，可以了解太阳能电池组件的具体情况。现有的太阳能电压传感器可靠性差，精度低等缺点。因此，我们需要一种设计简单，高可靠性的，高精度的太阳能电池板的电压传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种用于检测太阳能电池组件电压的传感器。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种用于检测太阳能电池组件电压的传感器，由电源隔离模块供电，包括：太阳板接入电路、前置放大器、光耦、后置放大器；其中：

所述太阳能接入电路的输入端接太阳能电池组件的两极，输出端与前置放大电路的输入端连接；

所述光耦的输入端与前置放大器的输出端连接，后置放大器的输入端、前置放大电路的输入端分别与光耦的输出端连接；

所述后置放大器的输出端输出检测电压信号。

所述一种用于检测太阳能电池组件电压的传感器中，光耦为线性光耦。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：电路设计简单，成本低，可靠性高。

附图说明

图1为用于检测太阳能电池组件电压的传感器的框图。

图2为用于检测太阳能电池组件电压的传感器的电路图。

图3为电源隔离模块的电路图。

图4为修正算法的坐标示意图。

图中标号说明：R1至R12为第一至第十二电阻，C1至C7为第一至第七电容，D1、D2为第一、第二二极管，U1为线性光耦，U2A为第一运放，U3A为第二运放，U4为电源隔离芯片。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的用于检测太阳能电池组件电压的传感器，由电源隔离模块供电，包括：太阳板接入电路、前置放大器。光耦、后置放大器。太阳能接入电路的输入端接太阳能电池组件的两极，输出端与前置放大电路的输入端连接。光耦的输入端与前置放大器的输出端连接，输出端与后置放大器的输入端连接。后置放大器的输出端输出检测电压信号。

如图2所示的电路图：线性光耦U1选用了HCNR201芯片，第一运放U2A、第二运放U3A均选用LM2904芯片。

太阳板接入电路包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第一至第八电阻R1-R8，第一二极管D1、第一至第八电阻R1-R8串联连接，第二二极管D2并连在第八电阻R8两端，太阳能电池组件正极与第一二极管D1的阳极连接，太阳能电池组件负极与第二二极管D2的阳极连接。

第九电阻R9接在第二二极管D2阴极和第一运放U2A的负输入端之间。第一运放U2A的电源端接电源隔离模块输出的VDD，正输入端、接地端、输出端均接电源隔离模块输出的VSS，负输入端接线性光耦U1的第3引脚；第七电容C7接在第一运放U2A的输出端和负输入端之间；第十电阻R10接在电源隔离模块输出的VSS与线性光耦U1的第一引脚之间；线性光耦U1的第2引脚接电源隔离模块输出的VDD，第4引脚接电源隔离模块输出的VS，第5引脚接第二运放U3A的正输入端，第6引脚接第二运放U3A的负输入端。

第二运放U3A的电源端接地，接地端、正输入端接外部电源VCC。由第六电容C6、第十一电阻R11组成的并联支路：一端与光耦U1的第6引脚连接，另一端与第二运放U3A的输出端连接。第二运放U3A的输出端串联连接第五电容C5、第十二电阻R12后接地。

如图3所示的电源隔离模块中，U4选用了B0505芯片：第一电容C1、第二电容C2接在U4的两个输入端子之间，第三电容C3、第四电容C4接在U4的两个输出端子之间。U4输出端输出VDD，负输出端输出VSS。

用于检测太阳能电池组件电压的传感器的工作原理如下：电源隔离模块U4输入端(VCC，GND)从外部输入为5V,GND,第一电容C1、第二电容C2起到稳压，滤波的作用。电源隔离模块U4输出隔离电源电压（VDD,VSS）也为5V,第三电容C3、第四电容C4也起到稳压，滤波的作用。第二运放U3A的供电为VCC，GND。第一运放U2A和线性光耦U1的供电为隔离输出电源VDD，VSS。第二二极管D2的作用是防止太阳板正负极接反。第一电阻R1至第八R8对太阳板的电压进行分压，当最高太阳板为0～1000V输入时，R8一端的分压值为0～3.785V。即为Vin的输入电压范围。设第一运放U2A负端的电压为Vi，第一运放U2A输出端的电压为Vo；

在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系：

Vo=Vo0-GVi (1)；

其中：Vo0是在运放输入差模为0的输出电压，G为运放的增益，一般比较大。

忽略运放负端的输入电流，可以认为通过第九电阻R9的电流为Ip1，根据欧姆定律得：

Ip1=(Vin-Vi)/R9 (2)；

通过第十电阻R10两端的电流为If，根据欧姆定律得：

If=(VDD-Vo)/R10 (3)；

其中：VDD为线性光耦U1第2引脚的电压，考虑到LED到导通时电压基本不变，这里作为常数对待。

根据光耦特性，第一运放U2A的增益K1为：

K1=Ip1/If （4）；

将上面表达式（2）、（3）带入式（4）可得：

K1=R10(Vin-Vi)/R9(VDD-Vo0+GVi) （5）；

上式经变形得到：

Vi=（R10*Vin-K1*R9(VDD-Vo0)/(K1*R9*G+R10) （6）；

将表达式（6）带入表达式（3）得：

If=（R10(VDD-Vo0)+G*R10Vin）/(R10*K1*R9*G+R10*R10) （7）；

考虑到G特别大，则可以做一下近似：

If=Vin/R9*K1 （8）；

这样，输出与输入电压的关系如下：

Vout=Ip2*R11=K2*If*R11=K2*R11*VIN/(K1*R9)=K3*R11*Vin/R9 （9）；

由上式可见，输出与输入成正比，并且比例系数由第二运放U3A增益K3、第九电阻R9、第十一电阻R11确定，一般R9=R11.这样就达到了隔离不放大的目的。

由上面可以知道，Vout的电压范围为K3*（0V～3.795V），系数K3一般为1±5%;Vout通过第十二电阻R12和第五电容C5进行RC滤波输入到模数转换芯片就可以进行太阳板的电压进行检测。

需要明确，采用线性光耦隔离电路进行隔离必定会导致模拟电压的传输产生一定的误差，若测量电路对电压精度要求不高，使用线性光耦隔离可以达到非常好的效果。然而对于电压精度要求较高的情况，就需要提高其精度。提高精度的行之有效的方法就是通过单片机软件处理对数据进行误差修正。

软件修正提高精度：

由于采用隔离电路进行隔离会使模拟电压传输产生一定的误差，但线性光耦的特性决定了其输出具有很好的线性度，可以利用这点通过单片机软件进行误差的修正。

1、修正方法：针对隔离电路应用的场合明确电压传感器的检测范围为0V～1000V，然后向隔离电路提供隔离电压的两个值，即SUN+,SUN-之间的电压值为A,B（A为100V,B为1000V），并通过单片机读出采集到的修正值的实测量值(A1，B1)，通过输入值和实测值之间的差值，就可以通过修正算法，求出任意测量值实际对应的输入值。

2、修正算法如图4所示：设x轴上各点为单片机实际测得数值，直线L上各点为线性光耦前输入值。设直线L上A，B两点为修正值，其对应于x轴的A1、B1为单片机实际测量值，则可计算出a点和b点的误差分别为a=A-A1,b=B-B1，C1为单片机采集到任意值，若能求得误差c的值，通过修正计算C1+c即为C1理想值C。

通过比例关系可得：（C1-A1）/(c-a)=(B1-A1)/(b-a) （9）；

误差修正：C=C1+c （10）；

C=C1+[(B1-A1)a+(C1-A1)(b-a)]/(B1-A1) （11）；

3、注意事项：

（1）测量数据采用中值滤波法进行处理。

为了提高测量精度，采用数字滤波技术的中值滤波法对测量数据进行处理。即每次一个电压值采集n次，去除其中的最大值和最小值而取剩余的n-2个数值的平均值，这样可以防止受到突发性脉冲干扰的数据进入。（2）线性光耦隔离电路会随着上电时间的持续出现隔离后的电压毫伏级的减低的情况。大约30分钟后趋于稳定。因此，将电路上运行一段时间后再进行校准，精度更高。

上述电路经过软件算法校正后，太阳组件电压传感器的精度变得非常高，非常适合太阳能发电领域电压非常高的电压采样。

综上所述，本发明电路设计简单，成本低，可靠性高。上述具体实施例仅为本发明的一个例子，凡是符合本专利发明宗旨的实施例均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于检测太阳能电池组件电压的传感器，由电源隔离模块供电，其特征在于包括：太阳板接入电路、前置放大器、光耦、后置放大器；其中：

所述后置放大器的输出端输出检测电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种用于检测太阳能电池组件电压的传感器，其特征在于所述光耦为线性光耦。