CN207976519U - 一种直流高压检测电路 - Google Patents

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李天建
林穿
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Abstract

本实用新型涉及电压信号检测技术领域，具体涉及一种直流高压检测电路，包括高电阻分压电路、高输入阻抗运算放大器、线性光耦隔离电路和滤波调理模块；所述高电阻分压电路的输出端和高输入阻抗运算放大器的输入端连接；所述高输入阻抗运算放大器的输出端和线性光耦隔离电路的输入端连接；所述线性光耦隔离电路的输出端和滤波调理模块的输入端连接；所述高电阻分压电路由耐高压的第一电阻与第二电阻串联而成，所述第一电阻的一端和外设的电压输入端连接，第一电阻的另一端和第二电阻的一端连接；本实用新型的有益效果在于：电路的结构简单，不仅能够实现2000V直流高压的可靠检测，确保高、低压良好的电气隔离，还能够有效降低生产成本。

Description

一种直流高压检测电路
技术领域
本实用新型涉及电压信号检测技术领域，具体涉及一种直流高压检测电路。
背景技术
当前，直流高压驱动电源广泛运用于驱动电气设备的工作，直流高压驱动电源的稳定输出决定了电气设备是否正常运作，因此需要对直流高压驱动电源输出电压信号进行实时监控检测。现有技术中，对于低压变频器的运用反激开关电源变压器的直流电压检测电路的发展相对成熟，然而对于高压变频器却无法运用开关电源技术实现直流电压检测。
现有对于1kV以上直流高压检测常用两种方法：第一种是运用霍尔传感器进行直流电压检测，霍尔传感器原副边之间有良好的电气隔离、精确度高、线性度好、宽带宽且响应快，但成本高；第二种是单纯使用电阻分压，虽然可以得到按比例缩小的电压信号，但其精度受外界环境大，输出阻抗高，不利于后续信号处理，且按比例缩小的电压信号送入比较器与参考信号进行对比的过程中必须高、低压测共地，无法良好地实现电气隔离。
实用新型内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种电路结构简单，不仅能够实现2000V直流高压的可靠检测，确保高、低压良好的电气隔离，还能够有效降低生产成本的直流高压检测电路。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种直流高压检测电路，包括高电阻分压电路、高输入阻抗运算放大器、线性光耦隔离电路和滤波调理模块；所述高电阻分压电路的输出端和高输入阻抗运算放大器的输入端连接；所述高输入阻抗运算放大器的输出端和线性光耦隔离电路的输入端连接；所述线性光耦隔离电路的输出端和滤波调理模块的输入端连接；所述高电阻分压电路由耐高压的第一电阻与第二电阻串联而成，所述第一电阻的一端和外设的电压输入端连接，第一电阻的另一端和第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端接地连接；所述滤波调理模块包括依次连接的差分滤波放大电路和电压跟随电路。
进一步的，所述线性光耦隔离电路包括第三电阻、第四电阻、线性光耦隔离器、第一电容和光耦隔离放大器；
所述线性光耦隔离电路通过第三电阻和所述高输入阻抗运算放大器的输出端连接；
所述第三电阻和线性光耦隔离器的第一引脚连接，所述线性光耦隔离器的第四引脚和第五引脚分别接地连接，所述线性光耦隔离器的第六引脚、第四电阻的一端分别和光耦隔离放大器的反向输入端连接，所述线性光耦隔离器的第五引脚和光耦隔离放大器的同向输入端连接，所述光耦隔离放大器的输出端分别和第四电阻的另一端、所述滤波调理模块的输入端连接；
所述第一电容和第四电阻并联。
进一步的，所述线性光耦隔离器采用的芯片型号为HCRN201。
进一步的，所述差分滤波放大电路包括电阻、第二电容、二极管和差分放大器，所述电阻包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第十电阻，所述二极管包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；
所述第五电阻和所述光耦隔离放大器的输出端连接；
所述差分放大器的同向输入端分别和第七电阻的一端、第三二极管的正极、第四二极管的负极连接，所述第七电阻的另一端和第五电阻串联；
所述差分放大器的反向输入端分别和第八电阻的一端、第十电阻的一端、第一二极管的负极、第二二极管的正极连接，所述第八电阻的另一端和第六电阻串联；
所述差分放大器的输出端分别和第九电阻的一端、第十电阻的另一端连接；
所述第二电容的一端分别和第五电阻、第七电阻连接，所述第二电容的另一端分别和第六电阻、第八电阻连接。
进一步的，所述电压跟随电路包括第三电容、电压跟随器和第十一电阻，所述电压跟随器的同向输入端分别和第三电容的一端、第九电阻的另一端连接，所述第三电容的另一端接地连接，所述电压跟随器的反向输入端和第十一电阻的一端连接，所述电压跟随器的输出端和第十一电阻的另一端连接。
进一步的，所述高输入阻抗运算放大器采用的芯片型号为CA3140。
进一步的，所述第一电阻的阻值为100G欧，所述第二电阻的阻值位200兆欧。
本实用新型的有益效果在于：通过将高电阻分压电路设计为由耐高压的第一电阻和第二电阻串联而成，经过第一电阻分压，降压处理后的第二电阻的高电位端作为高输入阻抗运算放大器的输入信号，再由高输入阻抗运算放大器的输出信号作为线性光耦隔离电路的输入信号，使得高低压侧间经由耐高压的第一电阻和线性光耦隔离电路隔离，从而实现高低压测良好的电气双隔离保护。
通过采用高输入阻抗运算放大器，高输入阻抗运算放大器具有低输入电流、功耗低且具备高速性能的优点；通过采用线性光耦隔离电路，相比较于变压器隔离和电容耦合隔离，线性光耦隔离电路不仅光耦体积小、价格便宜，而且线性光耦隔离电路结构简单且可以完全消除前后级的相互干扰；通过将滤波调理模块中的差分滤波放大电路与电压跟随电路构成二阶低通滤波，从而实现达到抗共模干扰，滤除高次频率谐波，使输出信号稳定。
整个直流高压检测电路的电路结构简单，不仅能够实现2000V直流高压的可靠检测，确保高、低压良好的电气隔离，还能够有效降低生产成本。
附图说明
图1为本实用新型具体实施方式的一种直流高压检测电路的电路结构示意框图；
图2为本实用新型具体实施方式的一种直流高压检测电路的实施例一的电路结构示意框图；
图3为本实用新型具体实施方式的一种直流高压检测电路的二阶低通滤波的电路结构示意框图；
图4为本实用新型具体实施方式的一种直流高压检测电路的电路结构原理图；
图5为图4的一种直流高压检测电路的高输入阻抗运算放大器的电路结构原理图；
图6为图4的一种直流高压检测电路的线性光耦隔离电路的电路结构原理图；
图7为图4的一种直流高压检测电路的滤波调理模块的电路结构原理图；
标号说明：
1、高电阻分压电路；2、高输入阻抗运算放大器；3、线性光耦隔离电路；
4、滤波调理模块；41、差分滤波放大电路；42、电压跟随电路；
R1、第一电阻；R2、第一电阻；R3、第一电阻；R4、第一电阻；
R5、第一电阻；R6、第一电阻；R7、第一电阻；R8、第一电阻；
R9、第一电阻；R10、第一电阻；R11、第一电阻；
D1、第一二极管；D2、第二二极管；D3、第三二极管；D4、第四二极管；
C1、第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容；
A、光耦隔离放大器；A1、高输入阻抗运算放大器；A2、差分放大器；
A3、电压跟随器；
HV、外设的电压输入端的电压值；Vin、输入信号；Vout、输出信号；
图6中的数字1到数字8表示的是线性光耦隔离器采用的芯片型号为HCRN201的引脚；
具体实施方式
为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本实用新型最关键的构思在于：通过以线性光耦隔离电路为分割界将电路划分为高压区域和低压区域，高压区域由高电阻分压电路、高输入阻抗运算放大器组成，低压区域由滤波调理模块组成，其中滤波调理模块采用差分滤波放大电路与电压跟随电路构成二阶低通滤波，实现滤除高次频率谐波，从而使输出信号稳定。
请参照图1所示，一种直流高压检测电路，包括高电阻分压电路、高输入阻抗运算放大器、线性光耦隔离电路和滤波调理模块；所述高电阻分压电路的输出端和高输入阻抗运算放大器的输入端连接；所述高输入阻抗运算放大器的输出端和线性光耦隔离电路的输入端连接；所述线性光耦隔离电路的输出端和滤波调理模块的输入端连接；所述高电阻分压电路由耐高压的第一电阻与第二电阻串联而成，所述第一电阻的一端和外设的电压输入端连接，第一电阻的另一端和第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端接地连接；所述滤波调理模块包括依次连接的差分滤波放大电路和电压跟随电路。
上述的一种直流高压检测电路的工作过程为：
请参照图2和图4所示，首先，高电阻分压电路的耐高压的第一电阻和第二电阻串联，直流高电压由耐高压的第一电阻分压后作用于第二电阻的两端，此时第二电阻的低电位端接地连接，第二电阻的高电位端的电压信号作为高输入阻抗运算放大器的输入信号，即高电阻分压电路的输出端和高输入阻抗运算放大器的输入端连接，此时高输入阻抗运算放大器的输入信号Vin的计算公式为:
然后，将高输入阻抗运算放大器的输出信号即输出端和线性光耦隔离电路的输入端即输入信号连接；
最后，线性光耦隔离电路进行高低压隔离后输出信号即输出端和滤波调理模块的输入端连接，其中滤波调理模块包括依次连接的差分滤波放大电路和电压跟随电路，请参照图3所示，差分滤波放大电路和电压跟随电路构成二阶低通滤波，从而达到抗共模干扰，滤除高次频率谐波，使得输出信号稳定。
上述的一种直流高压检测电路的有益效果在于：
通过将高电阻分压电路设计为由耐高压的第一电阻和第二电阻串联而成，经过第一电阻分压，降压处理后的第二电阻的高电位端作为高输入阻抗运算放大器的输入信号，再由高输入阻抗运算放大器的输出信号作为线性光耦隔离电路的输入信号，使得高低压侧间经由耐高压的第一电阻和线性光耦隔离电路隔离，从而实现高低压测良好的电气双隔离保护。
通过采用高输入阻抗运算放大器，高输入阻抗运算放大器具有低输入电流、功耗低且具备高速性能的优点；通过采用线性光耦隔离电路，相比较于变压器隔离和电容耦合隔离，线性光耦隔离电路不仅光耦体积小、价格便宜，而且线性光耦隔离电路结构简单且可以完全消除前后级的相互干扰；通过将滤波调理模块中的差分滤波放大电路与电压跟随电路构成二阶低通滤波，从而实现达到抗共模干扰，滤除高次频率谐波，使输出信号稳定。
整个直流高压检测电路的电路结构简单，不仅能够实现2000V直流高压的可靠检测，确保高、低压良好的电气隔离，还能够有效降低生产成本。
请参照图6所示，进一步的，所述线性光耦隔离电路包括第三电阻、第四电阻、线性光耦隔离器、第一电容和光耦隔离放大器；
所述线性光耦隔离电路通过第三电阻和所述高输入阻抗运算放大器的输出端连接；
所述第三电阻和线性光耦隔离器的第一引脚连接，所述线性光耦隔离器的第四引脚和第五引脚分别接地连接，所述线性光耦隔离器的第六引脚、第四电阻的一端分别和光耦隔离放大器的反向输入端连接，所述线性光耦隔离器的第五引脚和光耦隔离放大器的同向输入端连接，所述光耦隔离放大器的输出端分别和第四电阻的另一端、所述滤波调理模块的输入端连接；
所述第一电容和第四电阻并联。
由上述描述可知，通过设置线性光耦隔离电路，以线性光耦隔离器为分割界，将直流高压检测电路划分为高压区域和低压区域，其中高压区域由高电阻分压电路和高输入阻抗运算放大器组成，低压区域由滤波调理模块组成，实现高低压测良好的电气双隔离保护。
进一步的，所述线性光耦隔离器采用的芯片型号为HCRN201。
由上述描述可知，通过采用芯片信号为HCRN201的线性光耦隔离器，相比于变压器隔离和电容耦合隔离来说，线性光耦隔离器不仅光耦体积小，而且价格便宜。
请参照图7所示，进一步的，所述差分滤波放大电路包括电阻、第二电容、二极管和差分放大器，所述电阻包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第十电阻，所述二极管包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；
所述第五电阻和所述光耦隔离放大器的输出端连接；
所述差分放大器的同向输入端分别和第七电阻的一端、第三二极管的正极、第四二极管的负极连接，所述第七电阻的另一端和第五电阻串联；
所述差分放大器的反向输入端分别和第八电阻的一端、第十电阻的一端、第一二极管的负极、第二二极管的正极连接，所述第八电阻的另一端和第六电阻串联；
所述差分放大器的输出端分别和第九电阻的一端、第十电阻的另一端连接；
所述第二电容的一端分别和第五电阻、第七电阻连接，所述第二电容的另一端分别和第六电阻、第八电阻连接。
由上述描述可知，通过第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第二电容构成平衡滤波电路，其中第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻起到限流分压作用，通过设置第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管对输入信号起到钳位作用，第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第二电容和差分放大器构成差分信号采集电路。
请参照图7所示，进一步的，所述电压跟随电路包括第三电容、电压跟随器和第十一电阻，所述电压跟随器的同向输入端分别和第三电容的一端、第九电阻的另一端连接，所述第三电容的另一端接地连接，所述电压跟随器的反向输入端和第十一电阻的一端连接，所述电压跟随器的输出端和第十一电阻的另一端连接。
由上述描述可知，通过设置电压跟随电路，差分滤波放大电路通过第九电阻以及第三电容和电压跟随器连接，一同构成二阶低通滤波电路。
请参照图5所示，进一步的，所述高输入阻抗运算放大器采用的芯片型号为CA3140。
由上述描述可知，通过采用芯片型号为CA3140的高输入阻抗运算放大器，不仅能够实现低输入电流和实现功耗低的效果，而且还具备高速性能。
进一步的，所述第一电阻的阻值为100G欧，所述第二电阻的阻值位200兆欧。
请参照图1至图2所示，本实用新型的实施例一为：
一种直流高压检测电路，包括高电阻分压电路、高输入阻抗运算放大器、线性光耦隔离电路和滤波调理模块；所述高电阻分压电路的输出端和高输入阻抗运算放大器的输入端连接；所述高输入阻抗运算放大器的输出端和线性光耦隔离电路的输入端连接；所述线性光耦隔离电路的输出端和滤波调理模块的输入端连接；所述高电阻分压电路由耐高压的第一电阻与第二电阻串联而成，所述第一电阻的一端和外设的电压输入端连接，第一电阻的另一端和第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端接地连接；所述滤波调理模块包括依次连接的差分滤波放大电路和电压跟随电路。
请参照图6所示，所述线性光耦隔离电路包括第三电阻、第四电阻、线性光耦隔离器、第一电容和光耦隔离放大器；
所述线性光耦隔离电路通过第三电阻和所述高输入阻抗运算放大器的输出端连接；
所述第三电阻和线性光耦隔离器的第一引脚连接，所述线性光耦隔离器的第四引脚和第五引脚分别接地连接，所述线性光耦隔离器的第六引脚、第四电阻的一端分别和光耦隔离放大器的反向输入端连接，所述线性光耦隔离器的第五引脚和光耦隔离放大器的同向输入端连接，所述光耦隔离放大器的输出端分别和第四电阻的另一端、所述滤波调理模块的输入端连接；
所述第一电容和第四电阻并联。
所述线性光耦隔离器采用的芯片型号为HCRN201。
请参照图7所示，所述差分滤波放大电路包括电阻、第二电容、二极管和差分放大器，所述电阻包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第十电阻，所述二极管包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；
所述第五电阻和所述光耦隔离放大器的输出端连接；
所述差分放大器的同向输入端分别和第七电阻的一端、第三二极管的正极、第四二极管的负极连接，所述第七电阻的另一端和第五电阻串联；
所述差分放大器的反向输入端分别和第八电阻的一端、第十电阻的一端、第一二极管的负极、第二二极管的正极连接，所述第八电阻的另一端和第六电阻串联；
所述差分放大器的输出端分别和第九电阻的一端、第十电阻的另一端连接；
所述第二电容的一端分别和第五电阻、第七电阻连接，所述第二电容的另一端分别和第六电阻、第八电阻连接。
请参照图7所示，所述电压跟随电路包括第三电容、电压跟随器和第十一电阻，所述电压跟随器的同向输入端分别和第三电容的一端、第九电阻的另一端连接，所述第三电容的另一端接地连接，所述电压跟随器的反向输入端和第十一电阻的一端连接，所述电压跟随器的输出端和第十一电阻的另一端连接。
请参照图5所示，所述高输入阻抗运算放大器采用的芯片型号为CA3140。
所述第一电阻的阻值为100G欧，所述第二电阻的阻值位200兆欧。
综上所述，本实用新型提供的一种直流高压检测电路，通过将高电阻分压电路设计为由耐高压的第一电阻和第二电阻串联而成，经过第一电阻分压，降压处理后的第二电阻的高电位端作为高输入阻抗运算放大器的输入信号，再由高输入阻抗运算放大器的输出信号作为线性光耦隔离电路的输入信号，使得高低压侧间经由耐高压的第一电阻和线性光耦隔离电路隔离，从而实现高低压测良好的电气双隔离保护。
通过采用高输入阻抗运算放大器，高输入阻抗运算放大器具有低输入电流、功耗低且具备高速性能的优点；通过采用线性光耦隔离电路，相比较于变压器隔离和电容耦合隔离，线性光耦隔离电路不仅光耦体积小、价格便宜，而且线性光耦隔离电路结构简单且可以完全消除前后级的相互干扰；通过将滤波调理模块中的差分滤波放大电路与电压跟随电路构成二阶低通滤波，从而实现达到抗共模干扰，滤除高次频率谐波，使输出信号稳定。
整个直流高压检测电路的电路结构简单，不仅能够实现2000V直流高压的可靠检测，确保高、低压良好的电气隔离，还能够有效降低生产成本。
通过设置线性光耦隔离电路，以线性光耦隔离器为分割界，将直流高压检测电路划分为高压区域和低压区域，其中高压区域由高电阻分压电路和高输入阻抗运算放大器组成，低压区域由滤波调理模块组成，实现高低压测良好的电气双隔离保护。
通过采用芯片信号为HCRN201的线性光耦隔离器，相比于变压器隔离和电容耦合隔离来说，线性光耦隔离器不仅光耦体积小，而且价格便宜。
通过第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第二电容构成平衡滤波电路，其中第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻起到限流分压作用，通过设置第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管对输入信号起到钳位作用，第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第二电容和差分放大器构成差分信号采集电路。
通过设置电压跟随电路，差分滤波放大电路通过第九电阻以及第三电容和电压跟随器连接，一同构成二阶低通滤波电路。
通过采用芯片型号为CA3140的高输入阻抗运算放大器，不仅能够实现低输入电流和实现功耗低的效果，而且还具备高速性能。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种直流高压检测电路，其特征在于，包括高电阻分压电路、高输入阻抗运算放大器、线性光耦隔离电路和滤波调理模块；所述高电阻分压电路的输出端和高输入阻抗运算放大器的输入端连接；所述高输入阻抗运算放大器的输出端和线性光耦隔离电路的输入端连接；所述线性光耦隔离电路的输出端和滤波调理模块的输入端连接；所述高电阻分压电路由耐高压的第一电阻与第二电阻串联而成，所述第一电阻的一端和外设的电压输入端连接，第一电阻的另一端和第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端接地连接；所述滤波调理模块包括依次连接的差分滤波放大电路和电压跟随电路。
2.根据权利要求1所述的直流高压检测电路，其特征在于，所述线性光耦隔离电路包括第三电阻、第四电阻、线性光耦隔离器、第一电容和光耦隔离放大器；
所述线性光耦隔离电路通过第三电阻和所述高输入阻抗运算放大器的输出端连接；
所述第三电阻和线性光耦隔离器的第一引脚连接，所述线性光耦隔离器的第四引脚和第五引脚分别接地连接，所述线性光耦隔离器的第六引脚、第四电阻的一端分别和光耦隔离放大器的反向输入端连接，所述线性光耦隔离器的第五引脚和光耦隔离放大器的同向输入端连接，所述光耦隔离放大器的输出端分别和第四电阻的另一端、所述滤波调理模块的输入端连接；
所述第一电容和第四电阻并联。
3.根据权利要求2所述的直流高压检测电路，其特征在于，所述线性光耦隔离器采用的芯片型号为HCRN201。
4.根据权利要求2所述的直流高压检测电路，其特征在于，所述差分滤波放大电路包括电阻、第二电容、二极管和差分放大器，所述电阻包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第十电阻，所述二极管包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；
所述第五电阻和所述光耦隔离放大器的输出端连接；
所述差分放大器的同向输入端分别和第七电阻的一端、第三二极管的正极、第四二极管的负极连接，所述第七电阻的另一端和第五电阻串联；
所述差分放大器的反向输入端分别和第八电阻的一端、第十电阻的一端、第一二极管的负极、第二二极管的正极连接，所述第八电阻的另一端和第六电阻串联；
所述差分放大器的输出端分别和第九电阻的一端、第十电阻的另一端连接；
所述第二电容的一端分别和第五电阻、第七电阻连接，所述第二电容的另一端分别和第六电阻、第八电阻连接。
5.根据权利要求4所述的直流高压检测电路，其特征在于，所述电压跟随电路包括第三电容、电压跟随器和第十一电阻，所述电压跟随器的同向输入端分别和第三电容的一端、第九电阻的另一端连接，所述第三电容的另一端接地连接，所述电压跟随器的反向输入端和第十一电阻的一端连接，所述电压跟随器的输出端和第十一电阻的另一端连接。
6.根据权利要求1所述的直流高压检测电路，其特征在于，所述高输入阻抗运算放大器采用的芯片型号为CA3140。
7.根据权利要求1所述的直流高压检测电路，其特征在于，所述第一电阻的阻值为100G欧，所述第二电阻的阻值位200兆欧。
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