隔離高壓交流傳感器設計方法

杜剛，余冰冰，王威

（成都新欣神風電子科技有限公司，成都 611731）

引言

近年來，電壓傳感器產品需求不斷提升，應用市場不斷擴大，其廣泛應用于航空、航天、通信、儀表、冶金及鐵路等軍品、民品領域。在實際應用場景中，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、檢測電壓與輸出信號高度隔離、維修更換方便等優點，目前主流電壓傳感器產品檢測電壓主要是千伏以下，檢測電壓高達數千伏甚至數十千伏的高壓交流傳感器產品較少[1]。

本文基于目前高壓交流傳感器的現狀，設計這一應用簡單、成本低、體積小的電路，用于檢測高達數千伏的高壓交流電壓信號并隔離輸出。

1 隔離高壓交流方案電路設計

本方案使用隔離互感線圈、電阻、電容、集成電路芯片等常規元件，通過對高壓交流電壓的限流、隔離、采樣、AC/DC 轉換以及運算放大輸出，即實現高壓交流電壓信號至不同電壓/電流信號的隔離輸出。

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 轉換電路、運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，待測信號交流輸入電壓Vac 經限流電阻R1 轉換成交流電流Iin，交流電流Iin 作為隔離耦合線圈T1 的原邊電流信號，經過線圈耦合至副邊，副邊交流信號經采樣電阻Rs 采樣轉換為小信號交流電壓Vs，交流電壓Vs 經AC/DC 轉換電路變換為直流電壓Vdc，該直流電壓Vdc 經過運算放大后可以直接輸出一個直流電壓Vout，也可以經過電壓/電流變送電路輸出一個直流電流Iout。AC/DC 轉換電路、運算放大電路及電壓/電流變送電路由外加電源供電，可以根據需要選擇單電壓或正負電壓供電，如±15 V、±12 V 或+15 V 等。

1.1 高壓轉換功能的實現

本文的設計方案可檢測數千伏的高壓交流電，實現這一功能的首要前提是將待測高壓交流電信號轉換為低壓交流電，同時確保高壓交流電與低壓交流電隔離，以保證后級電路能正常穩定輸出[2]。

高壓轉換功能通過線圈耦合的方式實現，其原理圖如圖2。

圖2 耦合電路圖

輸入高壓交流電Vac，經過限流電阻R1 將其轉換為電流信號Iin，原邊電流Iin 在經由隔離耦合線圈T1耦合至副邊，經采樣電阻Rs 采樣轉換為小信號交流電Vs。在檢測高壓交流電壓信號時，限流電阻R1 取值需要足夠大，此時耦合線圈的內阻遠遠小于限流電阻阻值，因此線圈內阻可忽略不計。故原邊電流可以計算為：

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。其中一次側繞組匝數很少，串在待測量電流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，實現高壓交流電與低壓交流電之間相互隔離。

1.1.1 限流設計

設計限流電阻R1 時應根據實際檢測的交流電壓及需要轉換的交流電流選擇限流電阻阻值，同時需要計算限流電阻的最大功率損耗，若其最大功率損耗超出單個限流電阻最大功耗值，應在電路中串聯多個限流電阻以保證設計安全可靠性[4]。

假設使用M 個相同阻值為R 的限流電阻串聯，則最大輸入電流為：

則單個電阻的最大功耗為：

單個電阻的最大功耗不能超過其允許最大功耗，并且需要預留部分余量，即降額使用。

1.1.2 耦合線圈設計

隔離耦合線圈T1 可根據實際轉換的交流電流Iac及需要的采樣電壓Vs 確定匝比。同時應根據高壓傳感器的精度選擇隔離耦合線圈原副邊的匝數，根據流經電流的大小選擇合適的繞線線徑。同時應根據傳感器產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，以保證傳感器產品高壓工作環境下的安全問題。

假設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為：

該采樣電阻的功率損耗為：

應當根據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后級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其允許最大功耗，且均預留部分余量。

1.2 AC/DC 變換電路

Vs 作為小信號交流電壓信號，需將其經AC/DC 轉換為直流電壓信號，為此設計一級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現真有效值均方根轉換，即：

經轉換后實現輸出直流電壓Vdc，如AD736 等，其原理圖如圖3 所示[5]。Vs 為交流電壓有效值，Vdc 為經過絕對值變換后的直流電壓，且Vdc=Vs。

圖3 AC/DC 變換電路

1.2 運算放大電路

在實際應用過程中，絕對值輸出直流電壓Vdc 若不能滿足需求，可以經過一級運算放大電路放大輸出，運算放大電路如圖4 所示。在應用過程中，集成運放存在幾十至幾百nA 偏置電流，輸入失調電流幾nA 至幾十nA，反饋電阻R10、R11 會引入失調電壓。在電路中增設平衡電阻R8，使集成運放兩輸入端的對地直流電阻相等，使運放的偏置電流不產生附加的失調電壓[6]。經運算放大電路后的電壓Vout 可以表示為：

圖4 運算放大電路

式中：

A—運算放大電路的放大倍數，且A=（R9+R10+R11）/R9。

1.3 變送電路

若需要輸出電壓信號，運算放大電路輸出的電壓信號可通過調節放大倍數A 直接作為傳感器輸出；

若需要輸出電流信號，運算放大電路輸出電壓Vout也可以經過電壓/電流變送電路轉換成電流。

電壓/電流變送電路可采用單片電壓&電流轉換器，外圍電路簡單，功能較強，如圖5 所示。使用時不接或只接很少的外部元件，能夠實現將輸入電壓轉換為標準的電流信號，輸入電壓范圍可達（0 ～2）V，同時將其線性變送為（4 ～20）mA 電流Iout[7]。

圖5 變送電路

2 試驗驗證

基于本文電路方案設計的（0 ～4 500）Vac 交流隔離傳感器，經限流電阻轉化為（0 ～1）mA 交流電流，經1 ∶1 匝比隔離耦合線圈及100 Ω 采樣電阻轉化為（0 ～100）mV 有效值的交流電壓，經真有效值AC/DC 變換電路及運算放大電路產生一個（0 ～2）V的直流輸出電壓，該電壓經電壓/電流變送電路后輸出（4 ～20）mA 的直流電流。測試結果如表1 所示。

表1 測試數據表

由結果可以看出，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 結論

本文對隔離高壓交流傳感器的設計方法進行了介紹，利用互感線圈隔離耦合的原理，實現將高壓交流電壓隔離轉換為低壓交流信號，利用AC/DC 轉換和運算放大功能將低壓交流信號轉換為需要的直流電壓信號，同時可以利用變送電路線性轉換為直流小電流信號輸出。

該設計方法能夠實現數千伏交流電壓的隔離測量，同時具備高精度、高線性度等特點，可靠性高，可廣泛應用于電力輸送、工業加工、鐵路、通信、汽車等行業[8]。