Оптоизолятор упрощает контроль сетевого напряжения

Alfredo del Rio, Ana Cao y Paz

EDN

Использование линейной оптопары и источника питания на основе гасящего конденсатора позволяет получить простую, но точную систему контроля сети переменного тока. Схема на Рисунке 1 преобразует напряжение сети 110 В в выходное напряжение, изменяющееся в пределах от 0 до 5 В относительно среднего уровня 2.5 В. Схема изолирует выходной сигнал от электрической сети. Выход схемы можно подключать напрямую к входу аналого-цифрового преобразователя. Для других сетевых напряжений достаточно просто изменить сопротивление резистора R₁. Для сети 220 В это сопротивление должно составлять 470 кОм. Входной каскад не изолирован от сети и в качестве опорного уровня земли использует нулевой провод. Этот блок получает питание от источника постоянного напряжения 5 В и источника смещения 3.3 В, первый из которых подключен к сети через гасящий конденсатор и однополупериодный выпрямитель. Операционный усилитель и TLC2272 (IC₁) и линейный оптоизолятор IL300 (IC₂) образуют усилитель с обратной связью, в котором ток I_P1 пропорционален входному напряжению V_IN.

Рисунок 1.	Изолированная оптроном схема позволяет измерять переменное напряжение сети.

Резистор R₂ добавляет к току постоянное смещение, позволяющее измерять напряжение V_IN любой полярности. Согласованность параметров двух фотодиодов микросхемы IL300 (IC₂), гарантирует, что зависимость тока I_P2 от I_P1 будет близка к линейной. Выходной каскад преобразует ток I_P2 в напряжение, изолированное от электрической сети. Переменный резистор VR₂ регулирует общий коэффициент усиления, а с помощью VR₁ подстраивается смещение выходного напряжение, номинальное значение которого равняется 2.5 В. Воспользовавшись моделью микросхемы IC₂, приведенной в разделе загрузок, можно проверить работу схемы в симуляторе. Типовые значения оптических коэффициентов передачи тока K₁ и K₂ составляют примерно 0.007. Общий оптический коэффициент передачи вычисляется как K₃ = K₂/K₁.

После моделирования можно собрать и протестировать прототип. Источник питания изолированного блока из напряжения 7…10 В вырабатывает 5 В и опорное напряжение 3.3 В. Стабилизированное напряжение 5 В не понадобится, если это напряжение уже имеется в системе.

Важной функцией этой конструкции является получение стабильного постоянного напряжения на ее выходе. Это имеет решающее значение для измерения V_IN. Даже если вы уверены, что напряжение сети переменного тока не содержит постоянной составляющей, не забывайте: некоторые типы нагрузок забирают постоянные токи, тем самым, внося небольшое постоянное напряжение из-за падения на сетевых проводах. На температурные дрейфы выходного напряжения влияет, главным образом, дрейф K₃. При испытании прототипа температурный коэффициент K₃ был равен 470 ppm/°C. В Таблице 1 приведены значения V_OUT для различных температур. Операционный усилитель TLC2272 имеет выход, поддерживающий широкий диапазон выходных напряжений, и низкий ток покоя, упрощающий питание через гасящий конденсатор. Поскольку TLC2272 является сдвоенным устройством, неиспользуемую половину можно включить эмиттерным повторителем. Для контроля трехфазной сети нужно будет использовать полтора корпуса TLC2272. Обратите внимание, что операционные усилители IC₃ в изолированном блоке и IC₁ в неизолированном блоке не могут быть двумя половинами одной микросхемы, в противном случае будет потеряна изоляция.

Таблица 1.	Дрейф выходного напряжения смещения
TIL300 (°C) VOUT (В) TIL300 (°C) VOUT (В) 17.5 2.496 37.5 2.506 20 2.497 40 2.507 22.5 2.498 42.5 2.509 25 2.5 45 2.51 27.5 2.501 47.5 2.512 30 2.503 50 2.513 32.5 2.504 52.5 2.515 35 2.505

Основные характеристики схемы следующие:

• Напряжение изоляции 5300 В AC;
• Нелинейность 0.08%;
• Температурный сдвиг напряжения V_OUT 470 ppm/°C;
• Фазовый сдвиг 2° на частоте 50 Гц;
• Полоса пропускания по уровню –3 дБ от 0 до 1 кГц.

Рисунок 2.	Добавление к схеме двух АЦП и микроконтроллера даст возможность измерения параметров тока и напряжения электрической сети.

Если подключить выход схемы к 10-битному АЦП, для сети 110 В младший значащий бит будет эквивалентен 0.5 В. Для измерения тока к схеме можно добавить датчик на основе эффекта Холла. Для этой цели хорошо подходят приборы серии LTS, выпускаемые компанией LEM, так как они работают от единственного источника питания 5 В, а их выходное напряжение центрировано относительно уровня 2.5 В. Система, объединяющая измерения напряжения и тока, показана на Рисунке 2. Процессор вычисляет истинные среднеквадратичные значения напряжений и токов, кажущейся и активной мощности и коэффициента мощности.

Материалы по теме

Загрузки