CN204495859U - 一种机车交流电网绝缘监测信号隔离装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种机车交流电网绝缘监测信号隔离装置，用于对机车交流电网绝缘监测装置中的直流监测信号进行隔离传输，包括：线性光电耦合器、第一运放电路和第二运放电路；线性光电耦合器包括：发光二极管、第一光电二极管和第二光电二极管；发光二极管的正极连接工作电压源，发光二极管的负极连接第一运放电路的信号输出端，第一光电二极管的正极接地，第一光电二极管的负极连接第一运放电路的信号输入端，第二光电二极管的正极连接第二运放电路中运算放大器的同相输入端，第二光电二极管的负极连接第二运放电路中运算放大器的反相输入端。实现了对直流监测信号线性隔离，减小了监测信号所受到的干扰。
Description
技术领域
本实用新型涉及机车监测领域，特别是涉及一种机车交流电网绝缘监测信号隔离装置。
背景技术
随着科学技术的发展，机车作为人们出行的主要交通工具之一，人们越来越关心机车的安全性能。其中，机车辅助供电系统的母线对地绝缘电阻的监测即是监测机车安全性的一种重要手段。
机车交流电网绝缘监测装置是一种在线检测设备，可实时判断电网的绝缘状态，当电网母线对地绝缘降低时，能够给出警示，以避免出现重大事故。目前，机车交流电网绝缘监测装置采用直流叠加法可以有效对上述绝缘电阻的状态进行监测，机车上应用环境恶劣，具有严重的电场和磁场干扰，如果传输信号不经隔离，各种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，信号中的尖峰电磁脉冲将会给后级电路系统带来严重的破坏，因此被测信号必须和后级的信号采集电路在电气上完全隔离。对于高频交流模拟信号，通常采用变压器隔离，但由于变压器隔离运用的是电磁感应原理，不能直接通直流电，因而不适用于直流信号的隔离。
因而，如何对机车交流电网绝缘监测装置中的直流信号进行隔离传输，以减少监测信号受到的干扰，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种机车交流电网绝缘监测信号隔离装置，可以有效对机车交流电网绝缘监测装置中的直流信号进行隔离传输，以减少监测信号受到的干扰。
为解决上述技术问题，本实用新型提供了如下技术方案：
一种机车交流电网绝缘监测信号隔离装置，用于对机车交流电网绝缘监测装置中的直流监测信号进行隔离传输，包括：线性光电耦合器、将电压信号转换为电流信号的第一运放电路和将电流信号转换为电压信号的第二运放电路；所述线性光电耦合器包括：发光二极管、第一光电二极管和第二光电二极管；所述发光二极管的正极连接工作电压源，发光二极管的负极连接所述第一运放电路的信号输出端，所述第一光电二极管的正极接地，第一光电二极管的负极连接所述第一运放电路的信号输入端，所述第二光电二极管的正极连接所述第二运放电路中运算放大器的同相输入端，第二光电二极管的负极连接所述第二运放电路中运算放大器的反相输入端。
优选的，所述第一运放电路包括：第一运算放大器、第一电阻、第二电阻和第一电容；其中，所述第一电阻第一端为监测信号输入端，第一电阻第二端连接第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的同相输入端接地，第一运算放大器的输出端连接第二电阻的第一端，第二电阻的第二端为所述第一运放电路的信号输出端，第一电阻第二端连接所述第一光电二极管的负极，第一电容第一端连接第一电阻第二端，第一电容第二端连接第二电阻的第一端。
优选的，所述第二运放电路中运算放大器为第二运算放大器，所述第二运放电路还包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻和第二电容；其中，第二运算放大器同相输入端接地，第二运算放大器反相输入端连接第二电容第一端和第三电阻第一端，第二运算放大器输出端连接第二电容第二端和第三电阻第二端，第三电阻第二端连接第四电阻第一端，第四电阻第二端连接第五电阻第一端，第五电阻第二端接地，第四电阻第二端为监测信号输出端。
优选的，还包括：第三电容、第四电容、第一二极管和第二二极管；其中，所述第三电容的第一端连接第一电阻的第一端，第三电容的第二端接地；所述第一二极管的负极连接工作电压源，第一二极管的正极连接第二二极管的负极；所述第二二极管的负极连接所述第五电阻第一端，第二二极管的正极接地；所述第四电容与所述第二二极管并联。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本实用新型实施例所提供的一种机车交流电网绝缘监测信号隔离装置，第一运放电路接收直流监测信号，并将直流监测信号中的电压信号转换为电流信号，传输给线性光电耦合器，采用光电隔离对直流监测信号进行隔离，其中，第一光电二极管的负极连接所述第一运放电路的信号输入端，形成负反馈，用于检测和稳定发光二极管的发光强度，有效消除发光二极管的非线性和漂移等特性，第二光电二极管连接第二运放电路，作为输出电路的一部分，能产生于发光二极管的发光强度成线性关系的光电流，实现测量电路和输出电路之间的线性传递。第一光电二极管和第二光电二极管这两个光接受电路都是非线性的，但由于是封装在同一芯片内，非线性特性保持一致，即可以通过第一光电二极管所形成的负反馈通路的非线性来抵消第二光电二极管所在的直通通路的非线性，实现对直流监测信号线性隔离的目的，从而减小监测信号所受到的干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型一种具体实施例所提供的机车交流电网绝缘监测信号隔离装置的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，机车交流电网绝缘监测装置采用直流叠加法可以有效对绝缘电阻的状态进行监测，机车上应用环境恶劣，具有严重的电场和磁场干扰，如果传输信号不经隔离，各种干扰信号就会和被测信号一起进入测量系统。对于高频交流模拟信号，通常采用变压器隔离，但由于变压器隔离运用的是电磁感应原理，不能直接通直流电，因而不适用于直流信号的隔离。
基于上述研究的基础上，本实用新型实施例提供了一种机车交流电网绝缘监测信号隔离装置，用于对机车交流电网绝缘监测装置中的直流监测信号进行隔离传输，包括：线性光电耦合器、将电压信号转换为电流信号的第一运放电路和将电流信号转换为电压信号的第二运放电路；所述线性光电耦合器包括：发光二极管、第一光电二极管和第二光电二极管；所述发光二极管的正极连接工作电压源，发光二极管的负极连接所述第一运放电路的信号输出端，所述第一光电二极管的正极接地，第一光电二极管的负极连接所述第一运放电路的信号输入端，所述第二光电二极管的正极连接所述第二运放电路中运算放大器的同相输入端，第二光电二极管的负极连接所述第二运放电路中运算放大器的反相输入端。
在本实用新型实施例中，机车交流电网绝缘监测信号隔离装置采用光电隔离对直流监测信号进行隔离，通过第一光电二极管所形成的负反馈通路的非线性来抵消第二光电二极管所在的直通通路的非线性，实现对直流监测信号线性隔离的目的，从而减小监测信号所受到的干扰。
为了使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广。因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
请参考图1，图1为本实用新型一种具体实施例所提供的机车交流电网绝缘监测信号隔离装置的结构示意图。
本实用新型的一种具体实施例提供了一种机车交流电网绝缘监测信号隔离装置，用于对机车交流电网绝缘监测装置中的直流监测信号进行隔离传输，包括：线性光电耦合器、将电压信号转换为电流信号的第一运放电路和将电流信号转换为电压信号的第二运放电路；所述线性光电耦合器包括：发光二极管、第一光电二极管和第二光电二极管；所述发光二极管的正极连接工作电压源，发光二极管的负极连接所述第一运放电路的信号输出端，所述第一光电二极管的正极接地，第一光电二极管的负极连接所述第一运放电路的信号输入端，所述第二光电二极管的正极连接所述第二运放电路中运算放大器的同相输入端，第二光电二极管的负极连接所述第二运放电路中运算放大器的反相输入端。
在本实施例中，以线性光电耦合器HCNR201为例进行说明，如图1所示，机车交流电网绝缘监测信号隔离装置包括：线性光电耦合器11、第一运放电路12和第二运放电路13，其中，第一运放电路12接收直流监测信号，第二运放电路输出经过光电隔离的直流监测信号，第二运放电路的输出端通常连接AD转换芯片或带有AD转换功能的单片机，实现模拟信号到数字信号的转换。线性光电耦合器11的1、2引脚作为直流监测信号的输入端，即需要隔离的信号的输入端；线性光电耦合器11的3、4引脚用于反馈；线性光电耦合器11的5、6引脚用于需要隔离的信号的输出。其中线性光电耦合器11的1、2引脚分别对应发光二极管的负极和正极，线性光电耦合器11的3、4引脚分别对应第一光电二极管的负极和正极，线性光电耦合器11的5、6引脚分别对应第二光电二极管的正极和负极。线性光电耦合器11的1、2引脚之间的电流记为IF，即发光电流，线性光电耦合器11的3、4引脚之间的电流记为I1，线性光电耦合器11的5、6引脚之间的电流记为I2。输入的监测信号经过第一运放电路12的电压-电流转化，其中，电压的变化体现在电流IF上，当电压增大时，IF增大，电压降低时，IF减小，由于工作在深度负反馈状态的运算放大器满足虚短特性，需要考虑IF的限制，其中，第二电阻为限流电阻，I1和I2基本和IF成线性关系。
本实施例采用光电隔离对直流监测信号进行隔离，其线性光耦的隔离原理和普通的光耦隔离相似，但是对普通的光耦隔离的单发单收模式进行了改进，增加了用于反馈的光接受电路，即增加了第一光电二极管，这样，虽然第一光电二极管和第二光电二极管这两个光接受电路都是非线性的，但由于是封装在同一芯片内，材料及加工工艺相同，因此非线性特性能够保持一致。第一光电二极管的负极连接所述第一运放电路的信号输入端，形成负反馈，用于检测和稳定发光二极管的发光强度，有效消除发光二极管的非线性和漂移等特性，第二光电二极管连接第二运放电路，作为输出电路的一部分，能产生于发光二极管的发光强度成线性关系的光电流，实现测量电路和输出电路之间的线性传递。即可以通过第一光电二极管所形成的负反馈通路的非线性来抵消第二光电二极管所在的直通通路的非线性，实现对直流监测信号线性隔离的目的，从而减小监测信号所受到的干扰。
线性光耦真正隔离的是电流，而要实现对电压进行隔离，在线性光电耦合器的输入端和输出端设置运放电路。本实用新型一个实施例所提供的机车交流电网绝缘监测信号隔离装置，优选所述第一运放电路包括：第一运算放大器、第一电阻、第二电阻和第一电容；其中，所述第一电阻第一端为监测信号输入端，第一电阻第二端连接第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的同相输入端接地，第一运算放大器的输出端连接第二电阻的第一端，第二电阻的第二端为所述第一运放电路的信号输出端，第一电阻第二端连接所述第一光电二极管的负极，第一电容第一端连接第一电阻第二端，第一电容第二端连接第二电阻的第一端。
在上述实施例的基础上，本实用新型一个实施例所提供的机车交流电网绝缘监测信号隔离装置，优选所述第二运放电路中运算放大器为第二运算放大器，所述第二运放电路还包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻和第二电容；其中，第二运算放大器同相输入端接地，第二运算放大器反相输入端连接第二电容第一端和第三电阻第一端，第二运算放大器输出端连接第二电容第二端和第三电阻第二端，第三电阻第二端连接第四电阻第一端，第四电阻第二端连接第五电阻第一端，第五电阻第二端接地，第四电阻第二端为监测信号输出端。
在本实施例中，第一运放电路和第二运放电路组成双路运算放大器电路，使用单电源的轨对轨运放，既可以使电路较为简单，又可以保证信号转换的精度。第一运放电路实现将电压信号转换为电流信号，第二运放电路实现将电流信号转换为电压信号，甚至可以使隔离信号的线性度保持在0.5％以内。
本实用新型一个实施例所提供的机车交流电网绝缘监测信号隔离装置，还包括：第三电容、第四电容、第一二极管和第二二极管；其中，所述第三电容的第一端连接第一电阻的第一端，第三电容的第二端接地；所述第一二极管的负极连接工作电压源，第一二极管的正极连接第二二极管的负极；所述第二二极管的负极连接所述第五电阻第一端，第二二极管的正极接地；所述第四电容与所述第二二极管并联。
其中，设置第一二极管和第二二极管的作用在于，作为端口过压保护，第三电容为输入滤波电容，第四电容为输出滤波电容，可以使采集信号更为平滑。
综上所述，本实用新型实施例所提供的一种机车交流电网绝缘监测信号隔离装置，第一运放电路接收直流监测信号，并将直流监测信号中的电压信号转换为电流信号，传输给线性光电耦合器，采用光电隔离对直流监测信号进行隔离，其中，第一光电二极管的负极连接所述第一运放电路的信号输入端，形成负反馈，用于检测和稳定发光二极管的发光强度，有效消除发光二极管的非线性和漂移等特性，第二光电二极管连接第二运放电路，作为输出电路的一部分，能产生于发光二极管的发光强度成线性关系的光电流，实现测量电路和输出电路之间的线性传递。第一光电二极管和第二光电二极管这两个光接受电路都是非线性的，但由于是封装在同一芯片内，非线性特性保持一致，即可以通过第一光电二极管所形成的负反馈通路的非线性来抵消第二光电二极管所在的直通通路的非线性，实现对直流监测信号线性隔离的目的，从而减小监测信号所受到的干扰。
以上对本实用新型所提供的一种机车交流电网绝缘监测信号隔离装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种机车交流电网绝缘监测信号隔离装置，用于对机车交流电网绝缘监测装置中的直流监测信号进行隔离传输，其特征在于，包括：线性光电耦合器、将电压信号转换为电流信号的第一运放电路和将电流信号转换为电压信号的第二运放电路；
所述线性光电耦合器包括：发光二极管、第一光电二极管和第二光电二极管；
所述发光二极管的正极连接工作电压源，发光二极管的负极连接所述第一运放电路的信号输出端，
所述第一光电二极管的正极接地，第一光电二极管的负极连接所述第一运放电路的信号输入端，
所述第二光电二极管的正极连接所述第二运放电路中运算放大器的同相输入端，第二光电二极管的负极连接所述第二运放电路中运算放大器的反相输入端。
2.根据权利要求1所述的机车交流电网绝缘监测信号隔离装置，其特征在于，所述第一运放电路包括：第一运算放大器、第一电阻、第二电阻和第一电容；
其中，所述第一电阻第一端为监测信号输入端，第一电阻第二端连接第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的同相输入端接地，第一运算放大器的输出端连接第二电阻的第一端，第二电阻的第二端为所述第一运放电路的信号输出端，第一电阻第二端连接所述第一光电二极管的负极，第一电容第一端连接第一电阻第二端，第一电容第二端连接第二电阻的第一端。
3.根据权利要求2所述的机车交流电网绝缘监测信号隔离装置，其特征在于，所述第二运放电路中运算放大器为第二运算放大器，所述第二运放电路还包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻和第二电容；
其中，第二运算放大器同相输入端接地，第二运算放大器反相输入端连接第二电容第一端和第三电阻第一端，第二运算放大器输出端连接第二电容第二端和第三电阻第二端，第三电阻第二端连接第四电阻第一端，第四电阻第二端连接第五电阻第一端，第五电阻第二端接地，第四电阻第二端为监测信号输出端。
4.根据权利要求3所述的机车交流电网绝缘监测信号隔离装置，其特征在于，还包括：第三电容、第四电容、第一二极管和第二二极管；
其中，所述第三电容的第一端连接第一电阻的第一端，第三电容的第二端接地；
所述第一二极管的负极连接工作电压源，第一二极管的正极连接第二二极管的负极；
所述第二二极管的负极连接所述第五电阻第一端，第二二极管的正极接地；
所述第四电容与所述第二二极管并联。
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| CN109900947A (zh) * | 2019-04-11 | 2019-06-18 | 湘潭大学 | 一种用于pwm整流器的隔离电压采样电路 |
| PL424061A1 (pl) * | 2017-12-27 | 2019-07-01 | Instytut Tele- I Radiotechniczny | Układ do eliminacji zakłóceń w kablach pomiarowych |
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