關(guān)于扶梯變頻器安全切斷探討

方承和 蔡卓帆

摘要：光耦合器以光為媒介傳輸電信號的元件，由于其對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，因此在各種需要電氣隔離的信號傳輸電路中，具有廣泛的應(yīng)用。但光耦內(nèi)部由于對微小的信號有放大左右，比較容易受到干擾。尤其在扶梯的應(yīng)用場合，因?yàn)樽冾l器的運(yùn)行，本身出于強(qiáng)干擾的工況下。并且在對安全邏輯的判斷時，需高的有效率，尤其是涉及到需要認(rèn)證的安全電路，所以探討光耦的安全應(yīng)用與有效濾波尤為重要。

Abstract： Optocouplers use optical as a medium to transmit electrical signals. Because of their good isolation of input and output electrical signals， they have a wide range of applications in signal transmission circuits that require electrical isolation. However， the inside of the optocoupler is relatively susceptible to interference due to the amplification of small signals. Especially in the application of the escalator， because of the operation of the inverter， it is under strong working conditions. Moreover， in the judgment of the safety logic， it is required to be highly efficient， especially when it comes to safety circuits that require authentication. Therefore， it is especially important to discuss the safety application and effective filtering of the optocoupler.

關(guān)鍵詞：光耦;濾波;切斷;安全

Key words： optocoupler;filtering;cut off;safety

中圖分類號：TN773 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）14-0163-03

0 ?引言

光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。目前，一般的光耦電路在普通場合使用基本沒有問題，但是在干擾較強(qiáng)的場合，干擾信號較強(qiáng)，容易產(chǎn)生誤觸發(fā)的現(xiàn)象，導(dǎo)致檢測出現(xiàn)誤判斷。扶梯場合有使用到變頻器等干擾較強(qiáng)的設(shè)備、傳感器檢測信號傳輸線路較長，容易受到干擾，而且扶梯場合對安全要求特別高，不允許出現(xiàn)誤動作的現(xiàn)象。

1 ?技術(shù)方案

有鑒于此，需要提供一種具備輸入開啟電壓可控和濾波的光耦隔離電路，以解決輸入信號傳輸過程中受到干擾造成誤檢測和動作的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，主要采用以下技術(shù)方案：

需要重新設(shè)計輸入開啟電壓可控和濾波的光耦隔離電路，包括低通濾波器、光耦電路開啟電壓控制電路以及兩路光耦輸出電路，所述電路用于濾除高頻雜波的RC低通濾波器，具有用于濾除高頻雜波的LC濾波器和用于靜電保護(hù)和防止輸入信號反接的電路，具有用于電路開啟工作的開關(guān)控制電路，具有原邊級聯(lián)的兩路輸出信號的光耦隔離電路，電路的光耦副邊具有一階低通濾波電路。

①其中RC低通濾波器包括連接在輸入回路輸入端的電阻（R1）和輸入回路末端的電阻（R3），以及兩個電阻后端的電容（C1）。

②其中LC濾波器包括兩個電感和一個電容，第一電感（L1）接在輸入端電阻（R1）后端和電容（C2）之間，第二電感（L2）接在2中輸入回路末端電阻（R3）前端與電容（C2）之間。

③用于靜電保護(hù)和防止輸入信號反接的電路，包括并聯(lián)在電容（C2）兩端的TVS管（Z2）和串接于第一電感（L1）之后的二極管（D1）。

④用于控制輸入信號電壓達(dá)到所設(shè)定的開啟電壓時電路才開始工作的電路，包括串接于三極管（Q1）集電極的第一穩(wěn)壓管（Z1），三極管（Q1）基極的上拉電阻（R2），串接于三極管（Q1）基極與第二電感（L2）之間的第二穩(wěn)壓管（Z3）。

⑤有原邊級聯(lián)的兩路輸出信號的光耦隔離電路，包括三極管（Q1）發(fā)射極與第一光耦（PC1）原邊發(fā)光二極管陽極之間串聯(lián)的電阻（R5）和電感（L3），原邊級聯(lián)的第一光耦（PC1）和第二光耦（PC2），第二光耦（PC2）原邊發(fā)光二極管陰極與末端電阻（R3）前端之間串聯(lián)的電感（L4）和電阻（R11），連接在三極管（Q1）發(fā)射極與末端電阻前端之間的電阻（R4、R6）。

⑥光耦隔離電路副邊具有一階低通濾波電路，第一光耦（PC1）副邊包括集電極端上拉電阻（R7）和對地電容（C3），以及串接于集電極和CPU之間的電阻（R8）;第二光耦（PC2）副邊包括集電極端上拉電阻（R9）和對地電容（C4），以及串接于集電極和CPU之間的電阻（R10）。

2 ?工作原理

為輸入的檢測信號通過電阻（R1）、電容（C1）、電阻（R3）組成的RC低通濾波電路和電感（L1）、電容（C1）、電感（L2）組成的LC濾波器，可以有效濾除檢測信號中的高頻雜波干擾，有效地提高信號的抗干擾，通過RC低通濾波電路、LC濾波器、用于靜電保護(hù)和防止輸入信號反接的電路的檢測信號與用于電路開啟工作的開關(guān)控制電路的第一穩(wěn)壓管（Z1）和三極管（Q1）的集電極相連，通過R2電阻與第二穩(wěn)壓管（Z3）陰極相連，同時與三極管（Q1）的基極相連，第二穩(wěn)壓管（Z3）的陽極通過LC濾波器和、RC濾波器與檢測信號的地相連，當(dāng)檢測信號的初始電壓幅值超過第一穩(wěn)壓管（Z1）、第二穩(wěn)壓管（Z3）的穩(wěn)壓值和防止輸入信號反接的二極管的開啟電壓之和，三極管（Q1）才會導(dǎo)通，兩路輸出信號的光耦原邊通過電流，檢測信號傳輸?shù)焦怦罡边?，通過副邊的一階低通濾波電路傳輸?shù)紺PU;干擾信號幅值不超過第一穩(wěn)壓管（Z1）、第二穩(wěn)壓管（Z3）的穩(wěn)壓值和防止輸入信號反接的二極管的開啟電壓之和，三極管（Q1）不會導(dǎo)通，提高了檢測信號的抗干擾特性。

3 ?實(shí)施方式

結(jié)合圖2所示，提供的輸入開啟電壓可控和濾波的光耦隔離電路，包括低通濾波器、光耦電路開啟電壓控制電路以及兩路光耦輸出電路，其電路有濾除高頻雜波的RC低通濾波器，有用于濾除高頻雜波的LC濾波器和用于靜電保護(hù)和防止輸入信號反接的電路，有用于電路開啟工作的開關(guān)控制電路，有原邊級聯(lián)的兩路輸出信號的光耦隔離電路，其電路光耦隔離電路副邊具有一階低通濾波電路。電路原邊設(shè)置了兩級濾波器、輸入信號電壓達(dá)到所設(shè)定的開啟電壓時電路才開始工作的功能，副邊設(shè)置一階低通濾波電路。其中輸入的檢測信號通過電阻（R1）、電容（C1）、電阻（R3）組成的RC低通濾波電路和電感（L1）、電容（C1）、電感（L2）組成的LC濾波器，通過用于靜電保護(hù)和防止輸入信號反接的電路與用于電路開啟工作的開關(guān)控制電路的第一穩(wěn)壓管（Z1）相連，用于電路開啟工作的開關(guān)控制電路的三極管（Q1）的基極通過上拉電阻（R2）與其集電極和第一穩(wěn)壓管（Z1）的陽極相連，還與第二穩(wěn)壓管（Z3）的陰極相連，其陽極通過LC濾波器和、RC濾波器與檢測信號的地相連，三極管（Q1）的發(fā)射極通過電阻R5和電感（L3）與原邊級電路開啟工作的開關(guān)控制電路的三極管（Q1）的基極通過上拉電阻（R2）與其集電極和第一穩(wěn)壓管（Z1）的陽極相連，還與第二穩(wěn)壓管（Z3）的陰極相連，其陽極通過LC濾波器和、RC濾波器與檢測信號的地相連，三極管（Q1）的發(fā)射極通過電阻R5和電感（L3）與原邊級聯(lián)的兩路輸出信號的光耦隔離電路相連，兩路輸出信號的光耦副邊通過一階低通濾波電路傳輸給CPU。

4 ?開啟電壓電路測試

針對開啟電壓的控制電路，在有效輸入緩慢上升時，測試最小的開通電壓與遲滯保持。在開啟控制電路中，如圖3紅色有效信號所示，直到電壓輸入到Z1的門限電壓，本電路才能正常開啟，以此達(dá)到安全切斷的功能。

5 ?驗(yàn)證其對干擾的抑制效果

由于扶梯變頻器在正常工作時，受IGBT開關(guān)的影響，輸出電流實(shí)際上為帶著鋸齒波形的高頻電流，如圖4所示。

由于在大功率扶梯變頻器中，最大輸出電流高達(dá)50A以上，并且在控制柜內(nèi)布局的時候因?yàn)榧纳姼械拇嬖?，根?jù)電壓公式U=L*di/dt，高頻大電流將產(chǎn)生大的干擾電壓。此干擾電壓串?dāng)_進(jìn)正常信號中，使產(chǎn)品誤報故障或無法正常運(yùn)行。實(shí)測時，發(fā)現(xiàn)干擾波形集中在250kHz的頻率附件。所以濾波主要針對250kHz的干擾。

但是有效信號的最高頻率為10kHz，考慮到冗余。濾波開始頻率定為50kHz，最大值頻率定為250kHz。

本電路中，濾波電路為無源RC一階低通濾波電路，其傳遞函數(shù)為G（s）=1/（RCs+1）。

其衰減的計算方法為：Uo=Ui/[（2*π*F*R*C）^2+1]^0.5

通過理論計算，新的濾波電路對于250kHz的抑制效果最好，可達(dá)到92%的衰減。

對于50kHz以下的衰減較小。并且對于正常頻率：10kHz，衰減小于10%。

實(shí)際對比測試如圖5所示：測試結(jié)果與理論計算一致。

6 ?結(jié)束語

以上對輸入開啟電壓可控和濾波的光耦隔離電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹，電路增加多重濾波和提高了光耦開啟電壓的幅值，提高了檢測信號的抗干擾性能，能夠更有效的避免CPU出現(xiàn)誤檢測和誤判斷現(xiàn)象的出現(xiàn)。從而大幅提高扶梯在正常運(yùn)行提高安全系數(shù)，極大的減少應(yīng)為誤動作所帶來事故的發(fā)生。

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