基于V/F轉(zhuǎn)換技術(shù)的光纖隔離型高壓監(jiān)控電路

張匯博，董志強，張翠花，李軍海，何亞蒂

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

基于V/F轉(zhuǎn)換技術(shù)的光纖隔離型高壓監(jiān)控電路

張匯博，董志強，張翠花，李軍海，何亞蒂

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

高壓試驗室前端高壓充電回路和后端監(jiān)控電路之間距離為50～80 m，高壓充電回路最高充電電壓為20 kV，為了使整個充電系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定工作，研制了基于電壓/頻率(V/F)、頻率/電壓(F/V)轉(zhuǎn)換原理的光纖隔離型高壓監(jiān)控電路，實現(xiàn)了高壓充電回路和監(jiān)控電路之間的電氣隔離。論述了該電路的結(jié)構(gòu)、原理、硬件設(shè)計以及試驗結(jié)果。實際運行表明：光纖隔離型高壓監(jiān)控電路線性度好，傳輸精度高，電壓顯示誤差小于5%，維修方便，調(diào)試簡單，有效地實現(xiàn)了前端高壓充電回路和后端監(jiān)控電路之間的電氣隔離，提高了試驗人員和后端設(shè)備的安全性。

電壓/頻率轉(zhuǎn)換；頻率/電壓轉(zhuǎn)換；光纖隔離；高壓監(jiān)控

在前期試驗室的高壓脈沖電源系統(tǒng)中，前端為高壓充電回路，后端為低壓監(jiān)控電路。高壓脈沖電容器的最高充電電壓為20 kV，采用電阻分壓器測量其端電壓，電阻分壓器低壓臂上的采樣信號通過線纜連接到后端的監(jiān)控電路，前端高壓充電回路和后端監(jiān)控電路之間有電氣連接，距離為50～80 m。高壓脈沖電容器發(fā)生故障或發(fā)射時的強電磁感應(yīng)使得前端的高電壓對后端電路造成反擊，這種情況會損壞監(jiān)控電路的電源操作柜，影響高電壓試驗的進程，嚴重時危及試驗人員安全。為了確保后端試驗人員和儀器設(shè)備的安全，提高實驗效率，研制了基于電壓/頻率、頻率/電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)的光纖隔離型高壓監(jiān)控電路，使得前端高壓充電回路和后端監(jiān)控電路之間實現(xiàn)電氣隔離，確保監(jiān)控電路能夠安全穩(wěn)定工作。

1 光纖隔離型高壓監(jiān)控電路原理

前端高壓充電回路和后端監(jiān)控電路之間有電氣連接，監(jiān)控電路會出現(xiàn)高電壓反擊現(xiàn)象，采用電光轉(zhuǎn)換和光纖傳輸實現(xiàn)兩者之間的電氣隔離[1]。光纖傳輸頻帶寬、信息容量大、傳輸損耗低、抗干擾能力強、絕緣性高、維護簡便[2-3]。光纖本身傳輸損耗很小，因此影響光纖傳輸精度的關(guān)鍵在于電光轉(zhuǎn)換的精度。由于電壓信號受到強電磁干擾波動較大，電光轉(zhuǎn)換若采用電壓信號直接轉(zhuǎn)換為光信號，會影響輸入信號的準確度，進而造成監(jiān)控電路測量不精確。因頻率信號抗干擾能力強[4]，故采用V/F轉(zhuǎn)換技術(shù)將電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率信號，以提高電阻分壓器低壓臂上采樣信號的輸入準確度?；赩/F轉(zhuǎn)換技術(shù)的光纖隔離型高壓監(jiān)控電路的原理如圖1所示。其中C為脈沖電容器，R1和R2為電阻分壓器，R2為電阻分壓器的低壓臂。電阻分壓器低壓臂上的采樣信號經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率信號，通過光發(fā)射器轉(zhuǎn)換成光信號，然后經(jīng)光纖傳輸?shù)焦饨邮掌鬟€原為頻率信號，最后經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換電路還原成電壓信號，從而達到對高壓脈沖電容器端電壓的準確監(jiān)控。

2 光纖隔離型高壓監(jiān)控電路設(shè)計

2.1 V/F轉(zhuǎn)換

筆者設(shè)計的V/F轉(zhuǎn)換通過LM331來實現(xiàn)。LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性價比較高的集成芯片，它采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0 V電源電壓下都有很高的精度，溫漂小于±50 ppm/℃。LM331線性度好，最大非線性失真小于0.01%,工作頻率低到0.1 Hz時尚有較好的線性度；變換精度高，數(shù)字分辨率可達12位；動態(tài)范圍寬，可達100 dB；功耗低，5 V工作電壓時功率為15 mW。其V/F轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

高壓脈沖電容器的充電電壓為0～20 kV，其兩端并聯(lián)的電阻分壓器低壓臂上的采樣信號為直流電壓，范圍為0～10 V，因此，V/F轉(zhuǎn)換要做到10 V以內(nèi)精確轉(zhuǎn)換。經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換的輸出頻率為

(1)

式中，RS為LM331管腳2所接電阻總和。

采用電位器的目的是為了調(diào)整LM331的增益偏差及Rt、RL和Ct的偏差。在輸入電壓和第7腳之間連接有100 kΩ電阻Rin，第7腳的偏置電流將抵消第6腳失調(diào)電流的所起的作用，這樣有助于獲得最小的頻率偏移。為了得到最佳效果，所有的元器件都應(yīng)選用溫度系數(shù)低、參數(shù)穩(wěn)定的元器件，比如電阻選用金屬膜電阻，電容選用介質(zhì)損耗低的。

2.2 光纖通路

光纖通路由光發(fā)射器、光纖和光接收器組成。光發(fā)射器將頻率信號轉(zhuǎn)換成光信號，經(jīng)過光纖傳輸，光接收器接收光信號，然后還原為頻率信號。光發(fā)射器選用HFBR-1412T，與其配套的光接收器是HFBR-2412T，這套組合是安捷倫公司HFBR-0400系列中的0412系列，最高速率可達5 Mbit/s，且體積小、功耗低、安裝方便、可工作的范圍大。光纖傳播的模式是光纖中存在的電磁場場形，或者說是光場場形。這些場形是光波經(jīng)過多次反射和干涉的結(jié)果。按照傳輸模式，光纖可以分為單模和多模光纖兩種。單模光纖只傳輸一種模式，傳播特性好、傳輸容量大，多模光纖傳輸?shù)哪Ｊ讲恢挂粋€[5]。

多模光纖常用于局域網(wǎng)和光纖互聯(lián)網(wǎng)，適用于短距離傳輸系統(tǒng)。實際上對于傳輸速率為10 Gbit/s信號在多模光纖中的傳輸距離已達到5 km[6-9]。在傳輸性能方面，相對于單模光纖，多模光纖芯徑粗、數(shù)值孔徑大，具有較小的非線性系數(shù)，在連接時不必精確對準，易于在樓宇和室內(nèi)布線。多模光纖的模式色散制約了其寬帶距離乘積，限制了其傳輸能力，目前技術(shù)發(fā)展進步，多模光纖可以實現(xiàn)大容量的信號傳輸，因此也得到越來越多的應(yīng)用[10-12]。高壓試驗室內(nèi)空間小，高壓脈沖電源模塊和監(jiān)控電路之間距離短，信號傳輸容量小，因此可采用多模光纖進行傳輸。

2.3 F/V轉(zhuǎn)換

LM331不僅可以進行V/F轉(zhuǎn)換，還可以進行F/V轉(zhuǎn)換，LM331用作F/V轉(zhuǎn)換器的電路如圖3所示。

轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓為

(2)

F/V轉(zhuǎn)換電路響應(yīng)較慢，就電路本身的特點來說，V/F轉(zhuǎn)換電路響應(yīng)時間可以很快，但F/V轉(zhuǎn)換電路做不到，其時間常數(shù)為0.1 s，經(jīng)過0.7 s的穩(wěn)定時間達到0.1%的精確度。

3 電路板制作

圖4為光纖隔離型高壓監(jiān)視電路原理圖。根據(jù)電路原理圖分別制作了V/F轉(zhuǎn)換電路板和F/V轉(zhuǎn)換電路板。前端高壓脈沖電源模塊之間相互獨立，每個模塊都有完整獨立的回路，考慮這些因素，V/F轉(zhuǎn)換電路板只做一路V/F轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換，適用于單個高壓脈沖電容器，電路板采用直流電源供電，和后端監(jiān)控電路之間沒有電氣連接。后端監(jiān)控電路的數(shù)字儀表顯示集中在一個電源控制柜里，因此，F(xiàn)/V轉(zhuǎn)換電路板包括5路F/V轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換，F(xiàn)/V轉(zhuǎn)換電路板同5個V/F轉(zhuǎn)換電路板相比，體積小，節(jié)省空間，該電路板和后端控制電源柜共用一個直流電源。

4 試驗及結(jié)果

通過在兩個電路板上搭建光纖隔離型高壓監(jiān)控電路進行試驗，如圖5所示。示波器和數(shù)字儀表的顯示電壓都為高壓監(jiān)控電路的輸出電壓，儀表的顯示比例為1∶2 000，試驗中輸入電壓為9.90 V，示波器顯示的輸出電壓為10.00 V，數(shù)字儀表顯示的輸出電壓為20.00 kV。

將兩個電路板應(yīng)用到高壓充電回路和監(jiān)控電路，如圖6所示。

通過試驗驗證，該電路線性度良好。試驗結(jié)果見表1。從表1中可以看出輸出電壓誤差最大為5%(輸入電壓為1 V)，最小為0.9%(輸入電壓為11 V)，誤差在可接受范圍內(nèi)。

表1 光纖隔離型高壓監(jiān)控電路試驗結(jié)果

圖7為試驗結(jié)果和理想結(jié)果之間的對比情況，其中Uout1為理想輸出電壓，Uout2為試驗輸出電壓，從圖中可以看出，該光纖隔離型高壓監(jiān)控電路輸出顯示準確度高，符合實驗要求。

5 結(jié)束語

基于V/F轉(zhuǎn)換技術(shù)的光纖隔離型高壓監(jiān)控電路通過光纖傳輸實現(xiàn)高低壓系統(tǒng)之間的電氣隔離，保證了試驗人員和后端控制設(shè)備的安全，應(yīng)用LM331的V/F和F/V轉(zhuǎn)換電路確保輸出電壓顯示誤差不大于5%，適用于目前高壓試驗室的高電壓監(jiān)控，為高電壓的靜態(tài)顯示監(jiān)控提供了一種參考方法。

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OpticalFiberIsolatedHighVoltageMonitorCircuitBasedonV/FConversionTechnology

ZHANG Huibo，DONG Zhiqiang， ZHANG Cuihua， LI Junhai，HE Yadi

( Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099,Shaanxi, China )

The distance between the high voltage charging circuit at the front end of a high voltage lab and the monitoring circuit at the rear end is 50～80m. The maximum charging vol-tage of the high voltage charging circuit is 20kV. In order to enable the whole charging system to work safely and stably, an optical fiber isolated monitoring circuit based on the voltage/frequency and frequency/voltage conversion principle was developed, and electrical isolation between the high voltage charging circuit and the monitoring circuit was realized. The structure, the principle, the hardware design and the experimental results of the circuit were described. Actual running process showed that the optical fiber isolated monitoring circuit is good in linearity and high in transmission precision, the display error of voltage is less than 5%, the maintenance is convenient, and the debugging is easy. Electrical isolation between the high voltage charging circuit at the front end and the monitoring circuit at the rear end was realized effectively. The safety of experimenters and rear-end equipment were improved.

V/F conversion; F/V conversion; optical fiber isolation; high voltage monitor

2014-05-19；

2014-07-02

張匯博(1982-)，男，碩士，主要從事脈沖功率電源研究。E-mail：5020801@qq.com

TM835

A

1673-6524(2014)04-0035-04