一種直流電壓隔離電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電子設備技術領域，特別涉及一種直流電壓隔離電路。
【背景技術】
[0002]在微機控制系統中，干擾信號通常通過電源線和地線串入主控系統，從而引起控制芯片出錯或出現一些預期以外的現象發生。因此必須加強數據采集與數據控制之間的抗干擾設計。然而，在控制系統中，不可避免的需要用到電壓控制外部器件或采集外部器件的反饋的電壓信號，需要進行直流電壓隔離。
[0003]目前常見的直流電壓隔離采用兩種方式來實現，方案一是采用高速線性光耦，高速線性光耦價格較高，并且其電流傳輸比容易發生編發，導致隔離采樣電路穩定性下降，可靠性較低。方案二是采用現成的電壓隔離模塊，模塊里集成了逆變一一變壓一一整流等模塊，實現起來比較復雜，并且價格同樣較高。
[0004]因此，有必要對現有技術進行改進。
【實用新型內容】
[0005]鑒于上述現有技術的不足之處，本實用新型的目的在于提供一種直流電壓隔離電路，以解決現有直流電壓隔離電路成本較高、可靠性較低的問題。
[0006]為了達到上述目的，本實用新型采取了以下技術方案:
[0007]—種直流電壓隔離電路，其包括:輸入單元、反饋單元、比較單元和電壓跟隨單元；
[0008]所述輸入單元將輸入電壓轉換成對應的電流信號、并對所述電流信號采樣獲得第一電壓;反饋單元將比較單元輸出的第三電壓轉換成對應的電流信號并采樣、獲得第二電壓；比較單元將第一電壓與第二電壓進行比較并輸出第三電壓給電壓跟隨單元；電壓跟隨單兀對第三電壓進行功率放大后獲得輸出電壓。
[0009]所述的直流電壓隔離電路中，所述輸入單元包括第一光電耦合器、第一電阻、第二電阻和第一電容；
[0010]所述第一光電親合器的陽極連接第一電阻的一端，第一電阻的另一端連接電壓輸入端和第一電容的一端，第一光電親合器的陰極連接第一電容的另一端和地，第一光電親合器的集電極連接電源端，第一光電耦合器的發射極連接第二電阻的一端和比較單元，第二電阻的另一端連接反饋單元和地。
[0011]所述的直流電壓隔離電路中，所述反饋單元包括第二光電耦合器和第三電阻；
[0012]所述第二光電耦合器的陽極連接比較單元，第二光電耦合器的陰極接地，第二光電耦合器的集電極連接電源端，第二光電耦合器的發射極連接第三電阻的一端和比較單元，第三電阻的另一端連接第二電阻的另一端和地。
[0013]所述的直流電壓隔離電路中，所述比較單元包括第一運算放大器、第四電阻和第五電阻；
[0014]所述第一運算放大器的同向輸入端連接第一光電親合器的發射極和第二電阻的一端，第一運算放大器的反向輸入端連接第二光電親合器的發射極和第三電阻的一端，第一運算放大器的輸出端連接第四電阻的一端、第五電阻的一端和電壓跟隨單元，第四電阻的另一端接地，第五電阻的另一端連接第二光電耦合器的陽極。
[0015]所述的直流電壓隔離電路中，所述比較單元還包括第二電容；
[0016]所述第二電容的一端連接第一運算放大器的輸出端，第二電容的另一端連接第一運算放大器的反向輸入端。
[0017]所述的直流電壓隔離電路中，所述電壓跟隨單元包括第二運算放大器、第三電容、第六電阻和可調電阻；
[0018]所述第二運算放大器的同向輸入端連接第一運算放大器的輸出端，第二運算放大器的反向輸入端連接第二運算放大器的輸出端、第六電阻的一端和第三電容的一端，所述第六電阻的另一端連接可調電阻的一端和電壓輸出端，可調電阻的另一端連接可調電阻的控制端、第三電容的另一端和地。
[0019]所述的直流電壓隔離電路中，所述第六電阻和可調電阻的阻值關系為:10K〈R6+VRK100K, R6為第六電阻的阻值，VRl為可調電阻的阻值。
[0020]相較于現有技術，本實用新型提供的直流電壓隔離電路，通過輸入單元將輸入電壓轉換成對應的電流信號、并對所述電流信號采樣獲得第一電壓;反饋單元將比較單元輸出的第三電壓轉換成對應的電流信號并采樣、獲得第二電壓；比較單元將第一電壓與第二電壓進行比較并輸出第三電壓給電壓跟隨單元；電壓跟隨單元對第三電壓進行功率放大后獲得輸出電壓;通過輸入單元的電壓電流轉換對輸入電壓進行隔離，通過反饋單元和比較單元的比較反饋以得到動態平衡，構成了具有線性傳輸特性的隔離放大電路來實現電壓的線性隔離和抗干擾，其電路結構簡單，電子元器件的成本很低，從而達到了降低成本、提高可靠性的目的。
【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型實施例提供的直流電壓隔離電路的結構框圖。
[0022]圖2為本實用新型實施例提供的直流電壓隔離電路的電路圖。
【具體實施方式】
[0023]本實用新型提供一種直流電壓隔離電路，應用于低成本的電壓測量領域。利用光電轉換技術和電壓負反饋方法，采用普通的非線性光耦與普通的運算放大器，構成具有線性傳輸特性的隔離放大電路來隔離控制電路與外界電路，以實現電壓的線性隔離和抗干擾，從而達到降低成本、提高可靠性的目的。為使本實用新型的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本實用新型進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0024]請同時參閱圖1和圖2，本實用新型實施例提供的直流電壓隔離電路包括輸入單元100、反饋單元200、比較單元300和電壓跟隨單元400。所述輸入單元100將輸入電壓Vin轉換成對應的電流信號、并對所述電流信號采樣獲得第一電壓VI;電壓轉換成電流即實現了輸入與輸出的完全電器隔離。反饋單元200將比較單元300輸出的第三電壓V3轉換成對應的電流信號并采樣、獲得第二電壓V2。比較單元300將第一電壓Vl與第二電壓V2進行比較并輸出第三電壓V3給電壓跟隨單元400。電壓跟隨單元400對第三電壓V3進行功率放大后獲得輸出電壓Vout。
[0025]如圖2所示，所述輸入單元100包括第一光電耦合器U1A、第一電阻Rl、第二電阻R2和第一電容Cl ；所述第一光電親合器UlA的陽極連接第一電阻Rl的一端，第一電阻Rl的另一端連接電壓輸入端和第一電容Cl的一端，第一光電親合器UlA的陰極連接第一電容Cl的另一端和地，第一光電耦合器UlA的集電極連接電源端VCC，第一光電耦合器UlA的發射極連接第二電阻R2的一端和比較單元300，第二電阻R2的另一端連接反饋單元200和地。
[0026]其中，輸入電壓Vin從電壓輸入端輸入。第一電容Cl用于濾除輸入電壓Vin的紋波并起到穩壓的作用，較佳地第一電容Cl的容值為0.luF。輸入電壓Vin通過第一光電耦合器UlA轉換成電流信號，在這個過程中實現了輸入與輸出的完全電氣隔離。之后再通過第二電阻R2采用，即可將隔離后的電流信號變成對應第一電壓VI，輸入到比較單元300中與反饋單元200輸出的第二電壓V2(也叫反饋電壓)進行比較。
[0027]本實施例中，所述反饋單元200包括第二光電耦合器UlB和第三電阻R3;所述第二光電耦合器UlB的陽極連接比較單元300，第二光電耦合器UlB的陰極接地，第二光電耦合器UlB的集電極連接電源端VCC，第二光電耦合器UlB的發射極連接第三電阻R3的一端和比較單元300，第三電阻R3的另一端連接第二電阻R2的另一端和地。
[0028]其中，反饋單元200根據比較單元300的輸出電壓控制第二光電耦合器UlB的導通發光狀態。若比較單元300輸出高電平，則控制第二光電耦合器UlB的發光二極管發光，使光電三極管導通，從而將高電平轉換成對應的電流信號。該電流信號通過第三電阻R3采樣變成第二電壓V2并輸入到比較單元300中與第一電壓Vl進行比較。
[0029]所述比較單元300包括第一運算放大器U2A、第四電阻R4和第五電阻R5;所述第一運算放大器U2A的同向輸入端(即第3腳)連接第一光電耦合器UlA的發射極和第二電阻R2的一端，第一運算放大器U2A的反向輸入端(即第2腳)連接第二光電耦合器UlB的發射極和第三電阻R3的一端，第一運算放大器U2A的輸出端連接第四電阻R4的一端、第五電阻R5的一端和電壓跟隨單元400，第四電阻R4的另一端接地，第五電阻R5的另一端連接第二光電耦合器UlB的陽極。
[0030]其中，所述第四電阻R4在電路啟動階段起下拉作用，使得第一運算放大器U2A輸出的第三電壓V3處于接近零電位的穩定狀態，在電路達到動態平衡作為假性負載，使得第三電壓V3更穩定。較佳地，所述第四電阻R4的阻值為1K Ω?10K Ω。同時，該第四電阻R4還可使初始狀態下，第一運算放大器U2A的反向輸入端上的第二電壓V2為零電位，則電路啟動時，第一運算放大器U2A先輸出高電平的第三電壓V3。該高電平經過第二光電耦合器UlB轉換成電流信號，再經過第三電阻R3采樣變成第二電壓V2輸入到第一運算放大器U2A與第一電壓Vl繼續比較。隨著第一運算放大器U2A輸出端電位(即第三電壓V3)的上升，第一運算放大器U2A反向輸入端的電位(即第二電壓V2)也隨之上升，當反向輸入端電位與同向輸入端電位相同時，反饋單元達到平衡穩定狀態，在輸入電壓Vin不改變的情況下，第一運算放大器U2A輸出端的電壓保持穩定。同時，第一運算放大器U2A輸出的第三電壓V3還傳輸至電壓跟隨單元400進行電壓跟隨輸出。
[0031]進一步實施例中，所述比較單元300還包括第二電容C2，所述第二電容C2的一端連接第一運算放大器U2A的輸出端，第二電容C2的另一端連接第一運算放大器U2A的反向輸入端。所述第二電容C2在電路啟動階段起緩沖作用，使得第三電壓V3變化更為平緩，并在電路達到動態平衡時使第三電壓V3更穩定。較佳地，所述第二電容C2的容值為47uF。
[0032]請繼續參閱圖2，所述電壓跟隨單元400包括第二運算放大器U2B、第三電容C3、第六電阻R6和可調電阻VERl;所述第二運算放大器U2B的同向輸入端(即第5腳)連接第一運算放大器U2A的輸出端，第二運算放大器U2B的反向輸入端(即第6腳)連接第二運算放大器U2B的輸出端(即第7腳)、第六電阻R6的一端和第三電容C3的一端，所述第六電阻R6的另一端連接可調電阻VERl的一端和電壓輸出端，可調電阻VERl的另一端連接可調電阻VERl的控制端、第三電容C3的另一端和地。
[0033]其中，第二運算放大器U2B輸出第四電壓V4，通過第六電阻R6和可調電阻VERl分壓后獲得輸出電壓Vout。第二運算放大器U2B在此電路中用作電壓跟隨器，則第一運算放大器U2A輸出的第三電壓V3通過電壓跟隨器進行功率放大，以增強驅動能力。所述第三電容C3用于濾除第四電壓V4的紋波并起到穩壓作用，較佳地取值為0.luF。
[0034]請繼續參閱圖2，所述直流電壓隔離電路的輸出電壓與輸入電壓成線性關系，具體如下所示。為方便敘述整個電路原理，對電路相關參數使用的一些英語縮寫符號進行表示，列明如下:
[00；35] Vf，表不第一光電親合器U1A、第二光電親合器UlB的發光二極管正向偏壓電壓值；
[0036]K，表不第一光電親合器U1A、第二光電親合器UlB的電流傳輸系數；
[0037]Idl，表示第一光電耦合器UlA的發光二極管導通時通路上的電流值；
[0038]Icl，表示第一光電耦合器UlA的光電三極管受光照時在集電極與發射極通路上激發產的電流值；
[0039]Id2，表示第二光電耦合器UlB的發光二極管導通時通路上的電流值；
[0040]Ic2，表示第二光電耦合器UlB的光電三極管受光照時在集電極與發射極通路上激發產的電流值；
[0041]V3-V1，表示第一運算放大器U2A的同向輸入端(即第3腳)上的電壓值；
[0042]V2，表示第一運算放大器U2A的反向輸入端(即第2腳)上的電壓值；
[0043]V1-V3，表示第一運算放大器U2A的輸出端(即第I腳)上的電壓值；
[0044]V7-V4，表示第二運算放大器U2B的輸出端(即第7腳)上的電壓值；
[°°45] Vin，表不輸入電壓的電壓值；
[°°46] Vout，表不輸出電壓的電壓值。
[0047]當輸入電壓Vin引入一個大于第一光電耦合器UlA的發光二極管Vf的確定的電壓時，發光二極管導通并在其通路上產生電流Idl，Idl = (Vin-Vf)/Rl。根據光電耦合器工作原理，發光二極管通電導通后產生光線，光線照射到光電三極管之后，光電三極管集電極與發射極之間將產生電流Icl，Icl=K*Idl。根據運算放大器虛斷的概念，可認為電流Icl不會注入第一運算放大器U2A的同向輸入端，而是全部通過第二電阻R2，由歐姆定律得，Vl=Icl*R2。由上述三式可得:
[0048]Vl =R2*K* (Vin-Vf)/Rl。------1 式
[0049]此電路中，第一運算放大器U2A并未將輸出的第三電壓V3反饋到其兩個輸入端，則第一運算放大器U2A工作在開環放大狀態，于是可將第一運算放大器U2A看作是一個帶推挽輸出功能的比較器。
[0050]當輸入電壓Vin升高使第一電壓Vl上升時，出現V1>V2，于是第三電壓V3上升。當第三電壓V3上升至大于Vf時，第二光電耦合器UlB的發光極管導通并在其通路上產生電流Id2，Id2=(Vl-Vf)/R5。根據光電耦合器工作原理，發光二極管通電導通后產生光線，光線照射到光電三極管之后，光電三極管集電極與發射極之間將產生電流Ic2，Ic2=K*Id2。根據運算放大器虛斷的概念，可認為電流Ic2不會注入第一運算放大器U2A的反向輸入端，另外第二電容C2具有隔離直流特性，所以電流Ic2將全部通過第三電阻R3，由歐姆定律得，V2=Ic2*R3。由上述三式可得:
[0051 ] V2=R3*K*(V1-Vf)/R5。-------2 式
[0052]由上式可見，隨著第三電壓V3上升，第二電壓V2也同步上升。當V2=V1時，第三電壓V3將達到動態平衡，保持穩定。
[0053]將I式，2式代入V2=V1可得，R3*K*(Vl-Vf)/R5=R2*K*(Vin-Vf)/Rl。
[0054]約去K得，R3*(Vl-Vf)/R5=R2*(Vin-Vf)/Rl。
[0055]由此可見，當使R2=R3，R1=R5，則有 V3=Vin。--------3 式
[0056]由于第二運算放大器U2B在此電路中用作電壓跟隨器，
[0057]所以V4=V3。--------4 式
[0058]第六電阻R6與可調電阻VERl組成線性電路，由線性電路特性可得，Vou t=V4* (R6/VRl )，VRl為可調電阻VERl當前的阻值。
[0059]結合3式，4式，可得Vout=Vin*(R6/VR1)。
[0060]第六電阻R6和可調電阻VERl的值可根據輸出電壓Vout的需求進行選擇，只要滿足10K〈R6+VR1〈100K，電路即能工作在理想狀態。
[0061]為了使用兩個光電耦合器(可采用的型號為TP521-2)，兩個運算放大器(可采用的型號為0P747或LM358)工作在理想狀態，本實施例中，所述第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3和第五電阻R5的阻值均為1K歐姆。
[0062]在實際應用中，除了需要等比例的線性隔離電路以外，還可能需要使用等比例線性放大的隔離電路。本實用新型提供的直流電壓隔離電路除了可以實現等比例線性隔離夕卜，還可以實現適當比例的放大，只需適當的提高R5/R1這兩個電阻值的比例即可，該比例通常小于2。
[0063]綜上所述，本實用新型提供的一種直流電壓隔離電路，通過設置普通的非線性光耦(即第一光電耦合器)對輸入電壓進行隔離，隔離后通過比較電路(內置的元器件都很普通且成本低)對兩路光耦輸出的電壓進行比較及反饋，即可實現電壓隔離的功能并得到動態平衡。所有物料總成本可低于10元以下，非常低廉實用，并且能實現模擬量的線性傳輸、線性度非常理想，是一個實用可靠性較高的線性隔離電路。
[0064]可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬于本實用新型所附的權利要求的保護范圍。
【主權項】
1.一種直流電壓隔離電路，其特征在于，包括:輸入單元、反饋單元、比較單元和電壓跟隨單元； 所述輸入單元將輸入電壓轉換成對應的電流信號、并對所述電流信號采樣獲得第一電壓;反饋單元將比較單元輸出的第三電壓轉換成對應的電流信號并采樣、獲得第二電壓;比較單元將第一電壓與第二電壓進行比較并輸出第三電壓給電壓跟隨單元;電壓跟隨單元對第三電壓進行功率放大后獲得輸出電壓。2.根據權利要求1所述的直流電壓隔離電路，其特征在于，所述輸入單元包括第一光電親合器、第一電阻、第二電阻和第一電容； 所述第一光電親合器的陽極連接第一電阻的一端，第一電阻的另一端連接電壓輸入端和第一電容的一端，第一光電親合器的陰極連接第一電容的另一端和地，第一光電親合器的集電極連接電源端，第一光電耦合器的發射極連接第二電阻的一端和比較單元，第二電阻的另一端連接反饋單元和地。3.根據權利要求2所述的直流電壓隔離電路，其特征在于，所述反饋單元包括第二光電耦合器和第三電阻； 所述第二光電耦合器的陽極連接比較單元，第二光電耦合器的陰極接地，第二光電耦合器的集電極連接電源端，第二光電耦合器的發射極連接第三電阻的一端和比較單元，第三電阻的另一端連接第二電阻的另一端和地。4.根據權利要求3所述的直流電壓隔離電路，其特征在于，所述比較單元包括第一運算放大器、第四電阻和第五電阻； 所述第一運算放大器的同向輸入端連接第一光電親合器的發射極和第二電阻的一端，第一運算放大器的反向輸入端連接第二光電親合器的發射極和第三電阻的一端，第一運算放大器的輸出端連接第四電阻的一端、第五電阻的一端和電壓跟隨單元，第四電阻的另一端接地，第五電阻的另一端連接第二光電耦合器的陽極。5.根據權利要求4所述的直流電壓隔離電路，其特征在于，所述比較單元還包括第二電容； 所述第二電容的一端連接第一運算放大器的輸出端，第二電容的另一端連接第一運算放大器的反向輸入端。6.根據權利要求4所述的直流電壓隔離電路，其特征在于，所述電壓跟隨單元包括第二運算放大器、第三電容、第六電阻和可調電阻； 所述第二運算放大器的同向輸入端連接第一運算放大器的輸出端，第二運算放大器的反向輸入端連接第二運算放大器的輸出端、第六電阻的一端和第三電容的一端，所述第六電阻的另一端連接可調電阻的一端和電壓輸出端，可調電阻的另一端連接可調電阻的控制端、第三電容的另一端和地。7.根據權利要求6所述的直流電壓隔離電路，其特征在于，所述第六電阻和可調電阻的阻值關系為:10K〈R6+VR1〈10K，R6為第六電阻的阻值，VRl為可調電阻的阻值。
【專利摘要】本實用新型公開了一種直流電壓隔離電路，包括輸入單元、反饋單元、比較單元和電壓跟隨單元；所述輸入單元將輸入電壓轉換成對應的電流信號、并對所述電流信號采樣獲得第一電壓；反饋單元將比較單元輸出的第三電壓轉換成對應的電流信號并采樣、獲得第二電壓；比較單元將第一電壓與第二電壓進行比較并輸出第三電壓給電壓跟隨單元；電壓跟隨單元對第三電壓進行功率放大后獲得輸出電壓；通過輸入單元的電壓電流轉換對輸入電壓進行隔離，通過反饋單元和比較單元的比較反饋以得到動態平衡，構成了具有線性傳輸特性的隔離放大電路來實現電壓的線性隔離和抗干擾，其電路結構簡單，電子元器件的成本很低，從而達到了降低成本、提高可靠性的目的。
【IPC分類】H03K19/14, H03K19/0175
【公開號】CN205385471
【申請號】CN201620003295
【發明人】曾紅友, 黃北勇, 吳國輝, 霍煒彬
【申請人】深圳安科高技術股份有限公司
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2016年1月5日