隔離高壓交流傳感器設(shè)計(jì)方法

杜剛，余冰冰，王威

（成都新欣神風(fēng)電子科技有限公司，成都 611731）

引言

近年來(lái)，電壓傳感器產(chǎn)品需求不斷提升，應(yīng)用市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，其廣泛應(yīng)用于航空、航天、通信、儀表、冶金及鐵路等軍品、民品領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，電壓傳感器需要具備良好的精度及線性度、高可靠性、低功耗、檢測(cè)電壓與輸出信號(hào)高度隔離、維修更換方便等優(yōu)點(diǎn)，目前主流電壓傳感器產(chǎn)品檢測(cè)電壓主要是千伏以下，檢測(cè)電壓高達(dá)數(shù)千伏甚至數(shù)十千伏的高壓交流傳感器產(chǎn)品較少[1]。

本文基于目前高壓交流傳感器的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)這一應(yīng)用簡(jiǎn)單、成本低、體積小的電路，用于檢測(cè)高達(dá)數(shù)千伏的高壓交流電壓信號(hào)并隔離輸出。

1 隔離高壓交流方案電路設(shè)計(jì)

本方案使用隔離互感線圈、電阻、電容、集成電路芯片等常規(guī)元件，通過(guò)對(duì)高壓交流電壓的限流、隔離、采樣、AC/DC 轉(zhuǎn)換以及運(yùn)算放大輸出，即實(shí)現(xiàn)高壓交流電壓信號(hào)至不同電壓/電流信號(hào)的隔離輸出。

高壓交流電壓傳感器原理框圖如圖1 所示，該電路由輸入限流電阻R1 與R2、隔離耦合線圈T1、采樣電阻Rs、AC/DC 轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)算放大電路以及變送電路組成。

圖1 高壓交流電壓傳感器原理框圖

傳感器正常工作時(shí)，待測(cè)信號(hào)交流輸入電壓Vac 經(jīng)限流電阻R1 轉(zhuǎn)換成交流電流Iin，交流電流Iin 作為隔離耦合線圈T1 的原邊電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)線圈耦合至副邊，副邊交流信號(hào)經(jīng)采樣電阻Rs 采樣轉(zhuǎn)換為小信號(hào)交流電壓Vs，交流電壓Vs 經(jīng)AC/DC 轉(zhuǎn)換電路變換為直流電壓Vdc，該直流電壓Vdc 經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大后可以直接輸出一個(gè)直流電壓Vout，也可以經(jīng)過(guò)電壓/電流變送電路輸出一個(gè)直流電流Iout。AC/DC 轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)算放大電路及電壓/電流變送電路由外加電源供電，可以根據(jù)需要選擇單電壓或正負(fù)電壓供電，如±15 V、±12 V 或+15 V 等。

1.1 高壓轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)

本文的設(shè)計(jì)方案可檢測(cè)數(shù)千伏的高壓交流電，實(shí)現(xiàn)這一功能的首要前提是將待測(cè)高壓交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為低壓交流電，同時(shí)確保高壓交流電與低壓交流電隔離，以保證后級(jí)電路能正常穩(wěn)定輸出[2]。

高壓轉(zhuǎn)換功能通過(guò)線圈耦合的方式實(shí)現(xiàn)，其原理圖如圖2。

圖2 耦合電路圖

輸入高壓交流電Vac，經(jīng)過(guò)限流電阻R1 將其轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)Iin，原邊電流Iin 在經(jīng)由隔離耦合線圈T1耦合至副邊，經(jīng)采樣電阻Rs 采樣轉(zhuǎn)換為小信號(hào)交流電Vs。在檢測(cè)高壓交流電壓信號(hào)時(shí)，限流電阻R1 取值需要足夠大，此時(shí)耦合線圈的內(nèi)阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于限流電阻阻值，因此線圈內(nèi)阻可忽略不計(jì)。故原邊電流可以計(jì)算為：

副邊采樣電阻兩端電壓可以表示為：

式中：

N—耦合線圈原副邊匝比；

Vs—副邊耦合交流電壓有效值[3]。

隔離耦合線圈T1 由閉合的硅鋼磁芯和兩組繞組組成。其中一次側(cè)繞組匝數(shù)很少，串在待測(cè)量電流Iin 的線路中。兩組繞組之間物理隔離，以提高傳感器耐壓性能，實(shí)現(xiàn)高壓交流電與低壓交流電之間相互隔離。

1.1.1 限流設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)限流電阻R1 時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際檢測(cè)的交流電壓及需要轉(zhuǎn)換的交流電流選擇限流電阻阻值，同時(shí)需要計(jì)算限流電阻的最大功率損耗，若其最大功率損耗超出單個(gè)限流電阻最大功耗值，應(yīng)在電路中串聯(lián)多個(gè)限流電阻以保證設(shè)計(jì)安全可靠性[4]。

假設(shè)使用M 個(gè)相同阻值為R 的限流電阻串聯(lián)，則最大輸入電流為：

則單個(gè)電阻的最大功耗為：

單個(gè)電阻的最大功耗不能超過(guò)其允許最大功耗，并且需要預(yù)留部分余量，即降額使用。

1.1.2 耦合線圈設(shè)計(jì)

隔離耦合線圈T1 可根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)換的交流電流Iac及需要的采樣電壓Vs 確定匝比。同時(shí)應(yīng)根據(jù)高壓傳感器的精度選擇隔離耦合線圈原副邊的匝數(shù)，根據(jù)流經(jīng)電流的大小選擇合適的繞線線徑。同時(shí)應(yīng)根據(jù)傳感器產(chǎn)品的絕緣耐壓要求選擇隔離耦合線圈的尺寸及原副邊線圈的絕緣距離，以保證傳感器產(chǎn)品高壓工作環(huán)境下的安全問(wèn)題。

假設(shè)隔離耦合線圈的原副邊匝比為N，則副邊采樣電阻兩端電壓可以表達(dá)為：

該采樣電阻的功率損耗為：

應(yīng)當(dāng)根據(jù)上兩式選取合適匝比N 及采樣電阻RS，使得采樣電阻兩端電壓不能超過(guò)后級(jí)AC/DC 變換電路的最大輸入電壓，且采樣電阻的功率損耗不能超過(guò)其允許最大功耗，且均預(yù)留部分余量。

1.2 AC/DC 變換電路

Vs 作為小信號(hào)交流電壓信號(hào)，需將其經(jīng)AC/DC 轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，為此設(shè)計(jì)一級(jí)AC/DC 變換電路，其原理圖如圖所示。

AC/DC 變換電路主要功能是實(shí)現(xiàn)真有效值均方根轉(zhuǎn)換，即：

經(jīng)轉(zhuǎn)換后實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓Vdc，如AD736 等，其原理圖如圖3 所示[5]。Vs 為交流電壓有效值，Vdc 為經(jīng)過(guò)絕對(duì)值變換后的直流電壓，且Vdc=Vs。

圖3 AC/DC 變換電路

1.2 運(yùn)算放大電路

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，絕對(duì)值輸出直流電壓Vdc 若不能滿足需求，可以經(jīng)過(guò)一級(jí)運(yùn)算放大電路放大輸出，運(yùn)算放大電路如圖4 所示。在應(yīng)用過(guò)程中，集成運(yùn)放存在幾十至幾百nA 偏置電流，輸入失調(diào)電流幾nA 至幾十nA，反饋電阻R10、R11 會(huì)引入失調(diào)電壓。在電路中增設(shè)平衡電阻R8，使集成運(yùn)放兩輸入端的對(duì)地直流電阻相等，使運(yùn)放的偏置電流不產(chǎn)生附加的失調(diào)電壓[6]。經(jīng)運(yùn)算放大電路后的電壓Vout 可以表示為：

圖4 運(yùn)算放大電路

式中：

A—運(yùn)算放大電路的放大倍數(shù)，且A=（R9+R10+R11）/R9。

1.3 變送電路

若需要輸出電壓信號(hào)，運(yùn)算放大電路輸出的電壓信號(hào)可通過(guò)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)A 直接作為傳感器輸出；

若需要輸出電流信號(hào)，運(yùn)算放大電路輸出電壓Vout也可以經(jīng)過(guò)電壓/電流變送電路轉(zhuǎn)換成電流。

電壓/電流變送電路可采用單片電壓&電流轉(zhuǎn)換器，外圍電路簡(jiǎn)單，功能較強(qiáng)，如圖5 所示。使用時(shí)不接或只接很少的外部元件，能夠?qū)崿F(xiàn)將輸入電壓轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，輸入電壓范圍可達(dá)（0 ～2）V，同時(shí)將其線性變送為（4 ～20）mA 電流Iout[7]。

圖5 變送電路

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于本文電路方案設(shè)計(jì)的（0 ～4 500）Vac 交流隔離傳感器，經(jīng)限流電阻轉(zhuǎn)化為（0 ～1）mA 交流電流，經(jīng)1 ∶1 匝比隔離耦合線圈及100 Ω 采樣電阻轉(zhuǎn)化為（0 ～100）mV 有效值的交流電壓，經(jīng)真有效值A(chǔ)C/DC 變換電路及運(yùn)算放大電路產(chǎn)生一個(gè)（0 ～2）V的直流輸出電壓，該電壓經(jīng)電壓/電流變送電路后輸出（4 ～20）mA 的直流電流。測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)表

由結(jié)果可以看出，該高壓交流傳感器的精度及線性度均小于1 %，且使用的元器件中沒有隨溫度變化較大的器件，故其溫度性能亦很好。

3 結(jié)論

本文對(duì)隔離高壓交流傳感器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹，利用互感線圈隔離耦合的原理，實(shí)現(xiàn)將高壓交流電壓隔離轉(zhuǎn)換為低壓交流信號(hào)，利用AC/DC 轉(zhuǎn)換和運(yùn)算放大功能將低壓交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為需要的直流電壓信號(hào)，同時(shí)可以利用變送電路線性轉(zhuǎn)換為直流小電流信號(hào)輸出。

該設(shè)計(jì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)千伏交流電壓的隔離測(cè)量，同時(shí)具備高精度、高線性度等特點(diǎn)，可靠性高，可廣泛應(yīng)用于電力輸送、工業(yè)加工、鐵路、通信、汽車等行業(yè)[8]。