專利名稱：一種無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電子測量、信號(hào)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，是一種無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代化工業(yè)信息自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集中，Γ20πιΑ電流環(huán)信號(hào)已經(jīng)成為主要的信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)之一，而對該信號(hào)進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，是提高系統(tǒng)安全性較為常用的技術(shù)手段。傳統(tǒng)的模擬信號(hào)線性隔離的方法主要有兩種一是采用光電隔離，二是變壓器隔離。前者的信號(hào)采用光電耦合器隔離方式實(shí)現(xiàn)，隔離前后電路的工作電源一般由采集設(shè)備的工作電源通過變壓器隔離方式的DC/DC獲得；該方法成本較低，體積較小，但因采用普通的方法使用光耦的線 性段和線性度不同，很難實(shí)現(xiàn)高線性度；電源采用DC/DC轉(zhuǎn)換方式不可避免地引入不必要的電源噪聲，降低系統(tǒng)測試精度。后者電源和信號(hào)一般都采用變壓器隔離形式，隔離前后電路電源由系統(tǒng)電源經(jīng)變壓器隔離方式的DC/DC提供，信號(hào)在隔離傳輸前先調(diào)制為數(shù)字脈沖后再經(jīng)變壓器隔離，最后再解調(diào)為模擬信號(hào)來實(shí)現(xiàn)；該方法方便實(shí)現(xiàn)多路隔離輸出，但電路復(fù)雜、成本較高，同樣存在前者方法中的DC/DC帶來噪聲的弊端，影響系統(tǒng)測試精度。以上兩種方法還有更大的弊端雖然測量系統(tǒng)與被測系統(tǒng)之間為電氣隔離，但隔離前后系統(tǒng)存在電磁耦合信號(hào)的傳輸，被測系統(tǒng)容易受測量系統(tǒng)的干擾和影響，系統(tǒng)的獨(dú)立性和安全性不高；由于采用了 DC/DC電源轉(zhuǎn)換形式，電路基礎(chǔ)功耗大。有些在易燃易爆環(huán)境下對電路功耗控制極為苛刻的儀器儀表，該弊端尤為顯現(xiàn)，以上兩種方法將無法使用。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路，采用電流竊電方式，并利用普通的光電耦合器和運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)高線性隔離轉(zhuǎn)換。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路，它至少包括過濾過壓保護(hù)電路、電源竊電電路、光電隔離穩(wěn)定放大電路和光電隔離電路，4至20毫安的電流源直接與過濾過壓保護(hù)電路的輸入端導(dǎo)通，過濾過壓保護(hù)電路的輸出端與光電隔離穩(wěn)定放大電路的輸入端導(dǎo)通，光電隔離穩(wěn)定放大電路的輸出端驅(qū)動(dòng)若干路光電隔離電路，其特征是隔離前電源竊電電路是整個(gè)電路的工作電源；電源竊電電路通過取樣電阻與過濾過壓保護(hù)電路串聯(lián)，即取樣電阻的一端與電源竊電電路導(dǎo)通，取樣電阻的另一端與過濾過壓保護(hù)電路的輸出端導(dǎo)通，并導(dǎo)入光電隔離穩(wěn)定放大電路。所述的取樣電阻串聯(lián)位置由電源轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換形式?jīng)Q定；當(dāng)采用倍壓或升壓轉(zhuǎn)換時(shí)，取樣電阻位于電源竊電電路的電流進(jìn)入端，當(dāng)采用負(fù)向轉(zhuǎn)換時(shí)，取樣電阻位于電源竊電電路的電流流出端。所述的過濾過壓保護(hù)電路是由兩級(jí)過壓過流π型網(wǎng)絡(luò)保護(hù)電路和四個(gè)二極管構(gòu)成的克服極性限制的二極管整流橋?qū)?gòu)成，兩級(jí)過壓過流η型網(wǎng)絡(luò)保護(hù)電路是由限幅二極管和兩根保險(xiǎn)絲分別導(dǎo)通構(gòu)成。所述的限幅二極管是雙向肖基特限幅二極管或由兩個(gè)單向限幅二極管反向串聯(lián)構(gòu)成的雙向電壓限幅的雙二極管。所所述的述的電源竊電電路是由一個(gè)實(shí)現(xiàn)電流源Ii-電壓源Uo的轉(zhuǎn)換的工作電流范圍寬的并聯(lián)型穩(wěn)壓器電路和一個(gè)由Uo得到大于Uo工作電源范圍的電壓倍壓、升壓或負(fù)向電源轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。所述的光電隔離穩(wěn)定放大電路一個(gè)高輸入阻抗放大單兀電路和一個(gè)光電稱合器及其外圍阻容器件組成的穩(wěn)態(tài)反饋放大電路；光電耦合器是普通的光電耦合器或線性光電率禹合器，光電稱合器的發(fā)光器是光電二極管，受光器是光敏三極管或光敏二極管。所述的高輸入阻抗放大單元電路是運(yùn)算放大器電路、場效應(yīng)管電路或三極管電路，或者其組合構(gòu)成的復(fù)合電路。所述的若干路光電隔離電路，每路光電隔離電路的輸入、輸出之間及每路光電隔離電路的輸出之間都采用電氣隔離；光電隔離電路中的光電耦合器采用普通光電耦合器。本實(shí)用新型的特點(diǎn)是1、電路的隔離前輸入端轉(zhuǎn)換電路，無需單獨(dú)提供電源，也無需由隔離后端電源轉(zhuǎn)換提供，信號(hào)隔離前后沒有電能信號(hào)的傳遞，只有光信號(hào)的傳輸，實(shí)現(xiàn)了真正的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換電氣隔離。2、利用普通的運(yùn)算放大器和光耦，設(shè)計(jì)了一個(gè)低成本、高精度、高線性度的隔離電路，電路結(jié)構(gòu)簡單，但精度卻可達(dá)萬分之五，甚至優(yōu)于價(jià)格昂貴的專用線性隔離或集成線性隔離運(yùn)放電路。3、電路的輸入輸出端等效負(fù)載很小。電路的輸入壓降較小，對原有信號(hào)回路影響小，能普遍滿足原有測量系統(tǒng)電路的要求；隔離輸出電路對其采集和供電電路的負(fù)載能力要求很小，可控制到ImW以內(nèi)，完全可以滿足對電路功耗要求較為苛刻的場合，如易燃易爆場合用的本質(zhì)安全型電氣設(shè)備。4、電路的隔離輸出可以同時(shí)擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)多路輸出，且每路之間都為光電隔離，滿足一個(gè)信號(hào)源同時(shí)供多路隔離采樣使用，各采樣回路之間安全性大大提高。5、電路可以滿足目前常用的模擬量隔離柵或隔離模塊的信號(hào)轉(zhuǎn)換要求，完全可以替代它們的主要轉(zhuǎn)換電路；該電路可以集成制作成微型模塊，作獨(dú)立的芯片使用，方便用戶設(shè)計(jì)。

下面將結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明圖I是倍壓或升壓轉(zhuǎn)換時(shí)無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路的電路圖；圖2是負(fù)壓轉(zhuǎn)換時(shí)無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路的電路圖。圖中1、過濾過壓保護(hù)電路；2、電源竊電電路；3、光電隔離穩(wěn)定放大電路；4、光電隔離電路；5、取樣電阻R1。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I如圖I所示，兩級(jí)保險(xiǎn)絲Fl與限幅二極管Zl和保險(xiǎn)絲F2與限幅二極管Zl分別導(dǎo)通構(gòu)成的兩級(jí)過壓過電流H型網(wǎng)絡(luò)保護(hù)電路結(jié)構(gòu)，限幅二極管Zi是雙向肖基特限幅二極管。[0023]π型網(wǎng)絡(luò)保護(hù)電路結(jié)構(gòu)與四個(gè)二極管Dl至D4構(gòu)成的克服極性限制的二極管整流橋?qū)?gòu)成了過濾過壓保護(hù)電路1，二極管Dl至D4采用肖基壘二極管，以減小環(huán)路壓降。由于過濾過壓保護(hù)電路I可以使整個(gè)電路不分極性的接入被測回路。竊電轉(zhuǎn)換電路2包括一個(gè)實(shí)現(xiàn)電流源Ii-電壓源Uo轉(zhuǎn)換的工作電流范圍寬的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路Z2和一個(gè)由Uo進(jìn)行電壓倍壓或升壓或負(fù)向電源得到更寬工作電源范圍的轉(zhuǎn)換電路U1，但后者電壓轉(zhuǎn)換對其負(fù)載電路來說是必要的但不是必須的，只是提供更寬的器件選擇范圍。并聯(lián)型穩(wěn)壓電路Z2可以是穩(wěn)壓二極管、固定的電壓基準(zhǔn)源或可調(diào)的電壓基準(zhǔn)源。隔離前竊電轉(zhuǎn)換電路2作為整個(gè)電路的工作電源，驅(qū)動(dòng)整個(gè)電路。光電隔離穩(wěn)定放大電路一個(gè)高輸入阻抗放大單元電路U2和一個(gè)光電耦合器U3及其外圍阻容器件組成的穩(wěn)態(tài)反饋放大電路；光電耦合器是線性光電耦合器，光電耦合器的發(fā)光器是光電二極管，受光器是光敏三極管或光敏二極管。 光電隔離穩(wěn)定放大電路3的輸出端驅(qū)動(dòng)光電隔離電路4，光電隔離電路4包含兩路光電隔離電路，兩路光電隔離電路的輸入、輸出之間及兩路光電隔離電路的輸出之間都采用電氣隔離；光電隔離電路中的光電稱合器U4、U5米用普通光電稱合器。取樣電阻5的一端與電源竊電電路2的的電流進(jìn)入端導(dǎo)通，取樣電阻5的另一端與過濾過壓保護(hù)電路I的輸出端導(dǎo)通，并導(dǎo)入光電隔離穩(wěn)定放大電路5。工作時(shí)，4至20毫安的電流源直接與過濾過壓保護(hù)電路I的輸入端導(dǎo)通，電流源經(jīng)過過濾過壓保護(hù)電路I后，在取樣電阻Rl處獲得與輸入的電流信號(hào)源Ii (即Γ20πιΑ電流)呈線性的電壓信號(hào)VA ;光電隔離器件U3的受控信號(hào)在R3上產(chǎn)生的電壓VB作為放大電路的反饋信號(hào)，U3的控制信號(hào)Io作為放大電路的輸出，而此控制信號(hào)以電流形式進(jìn)行輸出，從而完成Ii與Io的線性轉(zhuǎn)換；電流Io通過與隔離穩(wěn)態(tài)放大電路中特性相同的另一光電隔離器件U4后，通過和光耦U4相連的輸出電阻，輸出與Io呈線性的電壓Vol，因而得到電壓Vol與Ii也呈線性關(guān)系；并且電流Io可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路光電隔離電路，以達(dá)到兩路的無源電流環(huán)信號(hào)的線性光電隔離轉(zhuǎn)換。具體工作原理如下正常情況下，保護(hù)電路Pl中的F1、F2阻值很小，電壓保護(hù)器件Zl的漏電流可以忽略，被測電路中的4 20mA信號(hào)通過F1、F2后，經(jīng)Dl至D4極性轉(zhuǎn)換整流，然后給電源竊電穩(wěn)壓電路和取樣電阻Rl，電路工作正電源VCC由Z2直接得到，負(fù)電源VEE由VCC反向電源轉(zhuǎn)換獲得；由于運(yùn)算放大器U2的輸入端輸入阻抗很大，Rl的A端到運(yùn)放U2的輸入電流可以忽略不計(jì)，因此Rl的電流等于被測回路電流Ii。當(dāng)電路輸入超出允許電壓電流時(shí)，Zl限幅和Fl的限流形成第一級(jí)保護(hù)，第一級(jí)的殘余電壓由Z2和F2形成第二級(jí)保護(hù)，使其他電路工作在安全可靠的范圍內(nèi)。具體電路計(jì)算分析如下(以η條光電隔離電路計(jì)算)電路被測電流信號(hào)為Ii，該電流流經(jīng)Rl后在A點(diǎn)產(chǎn)生的電壓為UA (參考點(diǎn)為GND)，當(dāng)被測電流Ii增大時(shí)，UA點(diǎn)電壓降低，運(yùn)放U2的正端輸入電壓相應(yīng)降低，則運(yùn)放U2的輸出電壓變低，光耦U3的控制電流Io隨之增大，UB點(diǎn)的電壓也隨之降低，運(yùn)放最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)；反之，控制電流Io減小。計(jì)算分析如下UA=I i*Rl .........................................................(I)UB=Ir3*R3 .........................................................(2)[0035]由于運(yùn)放U2的輸入端為“虛短”特性，則有UB=UA 所以Ii*Rl= Ir3*R3即Ir3 = Ii*Rl/R3 ...................................................⑶光耦U3的電流傳遞系數(shù)為Kl，光耦的控制電流為Io，則有Io= Ir3/Kl ...............................................................(4)(3)代人⑷，得Io= Ii*Rl/(R3*Kl) ...................................................(5)光耦U4與光耦U3的控制電流Io相同，光耦U4的電流傳遞系數(shù)為K2，所以光耦U4的輸出端電流Iol=K2*Io即Iol=K2*Ii*Rl/(R3*Kl) .......................................(6)所以Vol=R4*Iol=R4*K2* Ii*Rl/(R3*K1).........................................................
(7)因?yàn)殡娐分械墓怦顬橥环庋b或同批次的光耦單元，電流傳遞系數(shù)K相同或比值不變，所以Vol= Ii*R4 * R1*K0/R3 (其中 K0=K2/K1) ..................(8)即:Vol=Ii*K其中 K= K0*R4 * R1/R3...........................(9)因此，隔離后的電壓輸出Vol與輸入電流Ii呈線性關(guān)系。光耦U4的輸入輸出是隔離的，因此電路輸出Vol達(dá)到了與輸入Ii的線性隔離。同理如果需要多路信號(hào)線性隔離，在U4的輸入端串聯(lián)多路相同特性的光電耦合電路即可實(shí)現(xiàn)多路線性隔離轉(zhuǎn)換。由于光I禹U3、U4…Un的電流傳輸系數(shù)不可能完全相同，電阻Rl、R4、R5的阻值都存在一定的誤差，運(yùn)放也并非真正的理想運(yùn)放，因此得到的不是器件參數(shù)的計(jì)算理論斜率且存在固有偏差，但是線性度依然很好，斜率的偏離和固有偏差可以通過后面電路硬件調(diào)整處理或信號(hào)采樣后經(jīng)軟件計(jì)算進(jìn)行修正解決。試驗(yàn)表明，在輸入4 20mA信號(hào)測量時(shí)的輸出電壓和輸入電流的線性度可以保證O. 05%。電路輸入電壓產(chǎn)生的壓降只有2. 7V，如果在某些不需要極性轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場合，電路壓降可以達(dá)到只有2V，對被測信號(hào)系統(tǒng)影響較小。 以下是實(shí)測的數(shù)據(jù)及結(jié)果分析
權(quán)利要求1.一種無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路，它至少包括過濾過壓保護(hù)電路、電源竊電電路、光電隔離穩(wěn)定放大電路和光電隔離電路，4至20毫安的電流源直接與過濾過壓保護(hù)電路的輸入端導(dǎo)通，過濾過壓保護(hù)電路的輸出端與光電隔離穩(wěn)定放大電路的輸入端導(dǎo)通，光電隔離穩(wěn)定放大電路的輸出端驅(qū)動(dòng)若干路光電隔離電路，其特征是隔離前電源竊電電路是整個(gè)電路的工作電源；電源竊電電路通過取樣電阻與過濾過壓保護(hù)電路串聯(lián)，即取樣電阻的一端與電源竊電電路導(dǎo)通，取樣電阻的另一端與過濾過壓保護(hù)電路的輸出端導(dǎo)通，并導(dǎo)入光電隔離穩(wěn)定放大電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征是所述的取樣電阻串聯(lián)位置由電源轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換形式?jīng)Q定；當(dāng)采用倍壓或升壓轉(zhuǎn)換時(shí)，取樣電阻位于電源竊電電路的電流進(jìn)入端，當(dāng)采用負(fù)向轉(zhuǎn)換時(shí)，取樣電阻位于電源竊電電路的電流流出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征是所述的過濾過壓保護(hù)電路是由兩級(jí)過壓過流η型網(wǎng)絡(luò)保護(hù)電路和四個(gè)二極管構(gòu)成的克服極性限制的二極管整流橋?qū)?gòu)成，兩級(jí)過壓過流η型網(wǎng)絡(luò)保護(hù)電路是由限幅二極管和兩根保險(xiǎn)絲分別導(dǎo)通構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的一種無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征是所述的限幅二極管是雙向肖基特限幅二極管或由兩個(gè)單向限幅二極管反向串聯(lián)構(gòu)成的雙向電壓限幅的雙二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征是所所述的述的電源竊電電路是由一個(gè)實(shí)現(xiàn)電流源Ii-電壓源Uo的轉(zhuǎn)換的工作電流范圍寬的并聯(lián)型穩(wěn)壓器電路和一個(gè)由Uo得到大于Uo工作電源范圍的電壓倍壓、升壓或負(fù)向電源轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征是所述的光電隔離穩(wěn)定放大電路一個(gè)高輸入阻抗放大單元電路和一個(gè)光電耦合器及其外圍阻容器件組成的穩(wěn)態(tài)反饋放大電路；光電耦合器是普通的光電耦合器或線性光電耦合器，光電耦合器的發(fā)光器是光電二極管，受光器是光敏三極管或光敏二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6中所述的一種無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征是所述的高輸入阻抗放大單元電路是運(yùn)算放大器電路、場效應(yīng)管電路或三極管電路，或者其組合構(gòu)成的復(fù)合電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征是所述的若干路光電隔離電路，每路光電隔離電路的輸入、輸出之間及每路光電隔離電路的輸出之間都采用電氣隔離；光電隔離電路中的光電耦合器采用普通光電耦合器。
專利摘要本實(shí)用新型是一種無源線性光電隔離轉(zhuǎn)換電路。它至少包括過濾過壓保護(hù)電路、電源竊電電路、光電隔離穩(wěn)定放大電路和光電隔離電路，4至20毫安的電流源直接與過濾過壓保護(hù)電路的輸入端導(dǎo)通，過濾過壓保護(hù)電路的輸出端與光電隔離穩(wěn)定放大電路的輸入端導(dǎo)通，光電隔離穩(wěn)定放大電路的輸出端驅(qū)動(dòng)若干路光電隔離電路，其特征是隔離前電源竊電電路是整個(gè)電路的工作電源；電源竊電電路通過取樣電阻與過濾過壓保護(hù)電路串聯(lián)，取樣電阻的另一端與過濾過壓保護(hù)電路的輸出端導(dǎo)通，并導(dǎo)入光電隔離穩(wěn)定放大電路。該電路具有電路結(jié)構(gòu)簡單、精度高、線性度好、成本低和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M3/10GK202435268SQ201120514680
公開日2012年9月12日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者李文杰, 陳建文 申請人:河北珠峰儀器儀表設(shè)備有限公司