一种基于光电隔离的三相高压采样电路的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其是一种基于光电隔离的三相高压采样电路。

背景技术：

三相高压采样电路种类多样，有的电路仅用电阻分压，给控制部分采样；有的电路用变压器降压隔离，给控制部分采样。

若三相高压采样电路中仅用电阻分压后给控制部分采样，则电压信号的远距离传输会导致信号容易受到远距离传输的干扰，并且高压没有经过隔离也会存在安全隐患；而变压器降压隔离后采样，由于存在电磁感应的转换，响应速度慢，因此不适合控制器采样后的实时控制，另外变压器次侧是电压信号，容易受到远距离传输的干扰。

技术实现要素：

本实用新型针对上述问题及技术需求，提出了一种基于光电隔离的三相高压采样电路。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于光电隔离的三相高压采样电路，所述电路包括：

电阻分压电路、光电隔离电路、差分放大及电流环驱动电路、稳压隔离电源；

所述电阻分压电路与所述光电隔离电路的输入相连，所述光电隔离电路的输出与所述差分放大及电流环驱动电路相连，所述稳压隔离电源分别与所述光电隔离电路和所述差分放大及电流环驱动电路相连；

所述电阻分压电路用于将高电压转换为低电压；

所述光电隔离电路用于将强电和弱电隔离；

所述差分放大及电流环驱动电路用于将光电隔离后的电压信号放大，将放大后的电压信号转换为电流信号；

所述稳压隔离电源用于为所述光电隔离电路和所述差分放大及电流环驱动电路供电。

其进一步的技术方案为：所述电阻分压电路包括第一相电压采样通道、第二相电压采样通道和第三相电压采样通道；

所述第一相电压采样通道由电阻1R1、电阻1R2、电阻1R3串联，与电阻1R4分压；

所述第二相电压采样通道由电阻1R5、电阻1R6、电阻1R7串联，与电阻1R8分压；

所述第三相电压采样通道由电阻1R9、电阻1R10、电阻1R11串联，与电阻1R12分压；

所述第一相电压采样通道与第一相高压输入相接，所述第二相电压采样通道与第二相高压输入相接，所述第三相电压采样通道与第三相高压输入相接；

所述电阻1R3与所述电阻1R4之间输出第一相低压输出，所述电阻1R7和所述电阻1R8之间输出第二相低压输出，所述电阻1R11与所述电阻1R12之间输出第三相低压输出；

所述第一相低压输出、所述第二相低压输出、所述第三相低压输出分别连接至所述光电隔离电路。

其进一步的技术方案为：所述光电隔离电路包括结构相同的第一光电隔离通道、第二光电隔离通道和第三光电隔离通道；

所述第一光电隔离通道由电阻2R1、电容2C1、电容2C2、光电隔离器件2U1、电容2C3组成；

所述电阻2R1的一端与所述电阻分压电路的第一相低压输出相连，另一端与所述光电隔离器件2U1的第二引脚相连；所述电容2C1的一端连接+5V输入，另一端接地；所述电容2C2的一端与所述光电隔离器件2U1的第二引脚相连，另一端接地；所述电容2C3的一端与+5V输出相连，另一端接地；所述光电隔离器件2U1的第一引脚连接+5V输入，所述光电隔离器件2U1的第三引脚、第四引脚、第五引脚接地，所述光电隔离器件2U1的第八引脚连接+5V输出，所述光电隔离器件2U1的第七引脚输出第一相的正向输出电压，所述光电隔离器件2U1的第六引脚输出第一相的负向输出电压。

其进一步的技术方案为：所述差分放大及电流环驱动电路包括结构相同的第一差分放大及电流环驱动通道、第二差分放大及电流环驱动通道、第三差分放大及电流环驱动通道；

所述第一差分放大及电流环驱动通道由电阻3R1、电阻3R2、电阻3R3、电阻3R4、电阻3R5、电阻3R6、电阻3R7、电阻3R8、电阻3R9、电阻3R10、电容3C1、电容3C2、运算放大器3U1、运算放大器3U2、二极管3D1、二极管3D2、NPN型三极管3T1、PNP型三极管3T2组成；

所述电阻3R1的一端与所述光电隔离电路的第一相的正向输出电压相连，另一端与所述运算放大器3U2的同相输入端相连；所述电阻3R2的一端与所述运算放大器3U1的输出端相连，另一端与所述运算放大器3U2的同相输入端相连；所述电阻3R3的一端与所述光电隔离电路的第一相的负向输出电压相连，另一端与所述运算放大器3U2的反相输入端相连；所述电阻3R4的一端与所述运算放大器3U2的反相输入端相连，另一端连接至-15V；所述电容3C1的一端与所述运算放大器3U1的输出端相连，另一端与所述运算放大器3U2的同相输入端相连；所述电容3C2的一端与所述运算放大器3U2的反相输入端相连，另一端连接至-15V；所述运算放大器3U1的反相输入端与输出端相连，所述运算放大器3U1的同相输入端与第一输出端A0相连；所述电阻3R5的一端与所述运算放大器3U2的输出端相连，另一端与所述二极管3D1的阴极相连；所述电阻3R6的一端与所述二极管3D1的阳极相连，另一端连接至+15V；所述二极管3D1的阴极与所述二极管3D2的阳极相连；所述电阻3R7的一端与所述二极管3D2的阴极相连，另一端连接至-15V；所述电阻3R8的一端与所述NPN型三极管3T1的发射极相连，另一端与所述电阻3R10相连；所述电阻3R9的一端与所述PNP型三极管3T2的发射极相连，另一端与所述电阻3R8相连；所述NPN型三极管3T1的集电极连接至+15V，所述NPN型三极管3T1的基极与所述二极管3D1的阳极相连；所述PNP型三极管3T2的集电极连接至-15V，所述PNP型三极管3T2的基极与所述二极管3D2的阴极相连；所述电阻3R10的一端与所述电阻3R9相连，另一端与所述第一输出端A0相连。

其进一步的技术方案为：所述稳压隔离电源包括三端稳压电源4U1和隔离电源模块4M1；

所述三端稳压电源4U1的输入端与+15V电源连接，所述三端稳压电源4U1的输出端与所述隔离电源模块4M1的输入端连接，所述三端稳压电源4U1的输出端为+5V输出，所述隔离电源模块4M1的输出端为+5V输入。

本实用新型的有益技术效果是：

通过电阻分压电路将高电压转换为低电压，通过光电隔离电路将强电和弱电隔离，通过差分放大及电流环驱动电路将光电隔离后的电压信号放大并转换为电流信号，可以增加抗干扰能力，从而使得信号可以经过远距离传输不受影响，保证采样数据安全、准确、可靠。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例提供的一种基于光电隔离的三相高压采样电路的结构示意图。

图2是本实用新型一个实施例提供的一种电阻分压电路的电路图。

图3是本实用新型一个实施例提供的一种光电隔离电路的电路图。

图4是本实用新型一个实施例提供的一种差分放大及电流环驱动电路的电路图。

图5是本实用新型一个实施例提供的一种稳压隔离电源的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

图1是本实用新型一个实施例提供的一种基于光电隔离的三相高压采样电路的结构示意图，如图1所示，该电路包括：电阻分压电路1、光电隔离电路2、差分放大及电流环驱动电路3、稳压隔离电源4；电阻分压电路1与光电隔离电路2的输入相连，光电隔离电路2的输出与差分放大及电流环驱动电路3相连，稳压隔离电源4分别与光电隔离电路2和差分放大及电流环驱动电路3相连；电阻分压电路1用于将高电压转换为低电压；光电隔离电路2用于将强电和弱电隔离；差分放大及电流环驱动电路3用于将光电隔离后的电压信号放大，将放大后的电压信号转换为电流信号；稳压隔离电源4用于为光电隔离电路2和差分放大及电流环驱动电路3供电。

可选的，结合参考图2，电阻分压电路1包括第一相电压采样通道、第二相电压采样通道和第三相电压采样通道；第一相电压采样通道由电阻1R1、电阻1R2、电阻1R3串联，与电阻1R4分压；第二相电压采样通道由电阻1R5、电阻1R6、电阻1R7串联，与电阻1R8分压；第三相电压采样通道由电阻1R9、电阻1R10、电阻1R11串联，与电阻1R12分压；第一相电压采样通道与第一相高压输入UA相接，第二相电压采样通道与第二相高压输入UB相接，第三相电压采样通道与第三相高压输入UC相接；电阻1R3与电阻1R4之间输出第一相低压输出A，电阻1R7和电阻1R8之间输出第二相低压输出B，电阻1R11与电阻1R12之间输出第三相低压输出C；第一相低压输出A、第二相低压输出B、第三相低压输出C分别连接至光电隔离电路2。

在实际应用中，电阻1R1、电阻1R2、电阻1R5、电阻1R6、电阻1R9、电阻1R10的阻值可以为5MΩ，电阻1R3、电阻1R7、电阻1R11的阻值可以是163.3Ω。第一相高压输入UA、第二相高压输入UB、第三相高压输入UC的交流有效值是10kV，第一相低压输出A、第二相低压输出B、第三相低压输出C的交流有效值是0.2V。

可选的，结合参考图3，光电隔离电路2包括结构相同的第一光电隔离通道、第二光电隔离通道和第三光电隔离通道；第一光电隔离通道由电阻2R1、电容2C1、电容2C2、光电隔离器件2U1、电容2C3组成；第二光电隔离通道由电阻2R2、电容2C4、电容2C5、光电隔离器件2U2、电容2C6组成；第三光电隔离通道由电阻2R3、电容2C7、电容2C8、光电隔离器件2U3、电容2C9组成。

电阻2R1的一端与电阻分压电路1的第一相低压输出A相连，另一端与光电隔离器件2U1的第二引脚相连；电容2C1的一端连接+5V输入，另一端接地；电容2C2的一端与光电隔离器件2U1的第二引脚相连，另一端接地；电容2C3的一端与+5V输出相连，另一端接地；光电隔离器件2U1的第一引脚连接+5V输入，光电隔离器件2U1的第三引脚、第四引脚、第五引脚接地，光电隔离器件2U1的第八引脚连接+5V输出，光电隔离器件2U1的第七引脚输出第一相的正向输出电压A1，光电隔离器件2U1的第六引脚输出第一相的负向输出电压A2。

在实际应用中，电阻2R1的阻值可以是10Ω，电容2C1的容量是47nF，电容2C2的容量是0.1uF，电容2C3的容量是0.1uF。

其中，电阻2R1的作用一方面是给光电隔离器件2U1限流，另一方面是与电容2C2组成RC滤波器，电容2C3的作用是用作光电隔离器件2U1的后端电源滤波电容，光电隔离器件2U1的作用是将强电和弱电在电气上用光完全隔离，正向输出电压A1与负向输出电压A2是光耦输出的差分信号。

电阻2R2的一端与电阻分压电路1的第二相低压输出B相连，另一端与光电隔离器件2U2的第二引脚相连；电容2C4的一端连接+5V输入，另一端接地；电容2C5的一端与光电隔离器件2U2的第二引脚相连，另一端接地；电容2C6的一端与+5V输出相连，另一端接地；光电隔离器件2U2的第一引脚连接+5V输入，光电隔离器件2U2的第三引脚、第四引脚、第五引脚接地，光电隔离器件2U2的第八引脚连接+5V输出，光电隔离器件2U2的第七引脚输出第二相的正向输出电压B1，光电隔离器件2U2的第六引脚输出第二相的负向输出电压B2。

电阻2R3的一端与电阻分压电路1的第三相低压输出C相连，另一端与光电隔离器件2U3的第二引脚相连；电容2C7的一端连接+5V输入，另一端接地；电容2C8的一端与光电隔离器件2U3的第二引脚相连，另一端接地；电容2C9的一端与+5V输出相连，另一端接地；光电隔离器件2U3的第一引脚连接+5V输入，光电隔离器件2U3的第三引脚、第四引脚、第五引脚接地，光电隔离器件2U3的第八引脚连接+5V输出，光电隔离器件2U3的第七引脚输出第三相的正向输出电压C1，光电隔离器件2U3的第六引脚输出第三相的负向输出电压C2。

在实际应用中，光电隔离器件的第一引脚和第八引脚为电源引脚，第二引脚为正输入引脚，第三引脚为负输入引脚，第七引脚为正输出引脚，第六引脚为负输出引脚，第四引脚和第五引脚为接地引脚。

可选的，结合参考图4，差分放大及电流环驱动电路3包括结构相同的第一差分放大及电流环驱动通道、第二差分放大及电流环驱动通道、第三差分放大及电流环驱动通道。

第一差分放大及电流环驱动通道由电阻3R1、电阻3R2、电阻3R3、电阻3R4、电阻3R5、电阻3R6、电阻3R7、电阻3R8、电阻3R9、电阻3R10、电容3C1、电容3C2、运算放大器3U1、运算放大器3U2、二极管3D1、二极管3D2、NPN型三极管3T1、PNP型三极管3T2组成。电阻3R1的一端与光电隔离电路2的第一相的正向输出电压A1相连，另一端与运算放大器3U2的同相输入端相连；电阻3R2的一端与运算放大器3U1的输出端相连，另一端与运算放大器3U2的同相输入端相连；电阻3R3的一端与光电隔离电路2的第一相的负向输出电压A2相连，另一端与运算放大器3U2的反相输入端相连；电阻3R4的一端与运算放大器3U2的反相输入端相连，另一端连接至-15V；电容3C1的一端与运算放大器3U1的输出端相连，另一端与运算放大器3U2的同相输入端相连；电容3C2的一端与运算放大器3U2的反相输入端相连，另一端连接至-15V；运算放大器3U1的反相输入端与输出端相连，运算放大器3U1的同相输入端与第一输出端A0相连；电阻3R5的一端与运算放大器3U2的输出端相连，另一端与二极管3D1的阴极相连；电阻3R6的一端与二极管3D1的阳极相连，另一端连接至+15V；二极管3D1的阴极与二极管3D2的阳极相连；电阻3R7的一端与二极管3D2的阴极相连，另一端连接至-15V；电阻3R8的一端与NPN型三极管3T1的发射极相连，另一端与电阻3R10相连；电阻3R9的一端与PNP型三极管3T2的发射极相连，另一端与电阻3R8相连；NPN型三极管3T1的集电极连接至+15V，NPN型三极管3T1的基极与二极管3D1的阳极相连；PNP型三极管3T2的集电极连接至-15V，PNP型三极管3T2的基极与二极管3D2的阴极相连；电阻3R10的一端与电阻3R9相连，另一端与第一输出端A0相连。

在实际应用中，电阻3R1、电阻3R2、电阻3R3、电阻3R4的阻值可以是100kΩ，电阻3R5的阻值可以是510Ω，电阻3R6、电阻3R7的阻值可以是5.1kΩ，电阻3R8、电阻3R9、电阻3R10的阻值可以是100Ω，电容3C1、电容3C2的容量可以是1nF，运算放大器3U1和运算放大器3U2的型号是OPA2277U，二极管3D1和二极管3D2的型号是LL4148，NPN型三极管3T1的型号是MMBT3904LT1G，PNP型三极管3T2的型号是MMBT3906LT1G。

其中，电阻3R1、电阻3R2、电阻3R3、电阻3R4的作用是用作运算差分放大倍数电阻，放大倍数

电容3C1和电容3C2的作用是高频滤波。运算放大器3U2的作用是运算放大，运算放大器3U1的作用是射极跟随器，将输出信号反馈给运算放大器3U2。电阻3R5是NPN型三极管3T1和PNP型三极管3T2的基极驱动电阻，二极管3D1和二极管3D2是用作基极偏置电路的二极管，将晶体管的Vbe进行抵消。NPN型三极管3T1和PNP型三极管3T2是推挽三极管，用于提供恒定的电流。电阻3R8、电阻3R9、电阻3R10为输出限流电阻。

第二差分放大及电流环驱动通道由电阻3R11、电阻3R12、电阻3R13、电阻3R14、电阻3R15、电阻3R16、电阻3R17、电阻3R18、电阻3R19、电阻3R20、电容3C3、电容3C4、运算放大器3U3、运算放大器3U4、二极管3D3、NPN型二极管3D4、PNP型三极管3T3、三极管3T4组成。电阻3R11的一端与光电隔离电路2的第二相的正向输出电压B1相连，另一端与运算放大器3U4的同相输入端相连；电阻3R12的一端与运算放大器3U3的输出端相连，另一端与运算放大器3U4的同相输入端相连；电阻3R13的一端与光电隔离电路2的第二相的负向输出电压B2相连，另一端与运算放大器3U4的反相输入端相连；电阻3R14的一端与运算放大器3U4的反相输入端相连，另一端连接至-15V；电容3C3的一端与运算放大器3U3的输出端相连，另一端与运算放大器3U4的同相输入端相连；电容3C4的一端与运算放大器3U4的反相输入端相连，另一端连接至-15V；运算放大器3U3的反相输入端与输出端相连，运算放大器3U3的同相输入端与第二输出端B0相连；电阻3R15的一端与运算放大器3U4的输出端相连，另一端与二极管3D3的阴极相连；电阻3R16的一端与二极管3D3的阳极相连，另一端连接至+15V；二极管3D3的阴极与二极管3D4的阳极相连；电阻3R17的一端与二极管3D4的阴极相连，另一端连接至-15V；电阻3R18的一端与NPN型三极管3T3的发射极相连，另一端与电阻3R20相连；电阻3R19的一端与PNP型三极管3T4的发射极相连，另一端与电阻3R18相连；NPN型三极管3T3的集电极连接至+15V，NPN型三极管3T3的基极与二极管3D2的阳极相连；PNP型三极管3T4的集电极连接至-15V，PNP型三极管3T4的基极与二极管3D4的阴极相连；电阻3R20的一端与电阻3R19相连，另一端与第二输出端B0相连。

第三差分放大及电流环驱动通道由电阻3R21、电阻3R22、电阻3R23、电阻3R24、电阻3R25、电阻3R26、电阻3R27、电阻3R28、电阻3R29、电阻3R30、电容3C5、电容3C6、运算放大器3U5、运算放大器3U6、二极管3D5、二极管3D6、NPN型三极管3T5、PNP型三极管3T6组成。电阻3R21的一端与光电隔离电路2的第三相的正向输出电压C1相连，另一端与运算放大器3U6的同相输入端相连；电阻3R22的一端与运算放大器3U5的输出端相连，另一端与运算放大器3U6的同相输入端相连；电阻3R23的一端与光电隔离电路2的第三相的负向输出电压C2相连，另一端与运算放大器3U6的反相输入端相连；电阻3R24的一端与运算放大器3U6的反相输入端相连，另一端连接至-15V；电容3C5的一端与运算放大器3U5的输出端相连，另一端与运算放大器3U6的同相输入端相连；电容3C6的一端与运算放大器3U6的反相输入端相连，另一端连接至-15V；运算放大器3U5的反相输入端与输出端相连，运算放大器3U5的同相输入端与第三输出端C0相连；电阻3R25的一端与运算放大器3U6的输出端相连，另一端与二极管3D5的阴极相连；电阻3R26的一端与二极管3D5的阳极相连，另一端连接至+15V；二极管3D5的阴极与二极管3D6的阳极相连；电阻3R27的一端与二极管3D6的阴极相连，另一端连接至-15V；电阻3R28的一端与NPN型三极管3T5的发射极相连，另一端与电阻3R30相连；电阻3R29的一端与PNP型三极管3T6的发射极相连，另一端与电阻3R28相连；NPN型三极管3T5的集电极连接至+15V，NPN型三极管3T5的基极与二极管3D5的阳极相连；PNP型三极管3T6的集电极连接至-15V，PNP型三极管3T6的基极与二极管3D6的阴极相连；电阻3R30的一端与电阻3R29相连，另一端与第三输出端C0相连。

可选的，结合参考图5，稳压隔离电源4包括三端稳压电源4U1和隔离电源模块4M1；三端稳压电源4U1的输入端与+15V电源连接，三端稳压电源4U1的输出端与隔离电源模块4M1的输入端连接，三端稳压电源4U1的输出端为+5V输出，隔离电源模块4M1的输出端为+5V输入。

三端稳压电源4U1的型号是MC78M05CDT，用于将15V的电源转换为5V的电源。

隔离电源模块4M1是独立的电源，型号是WRF0505CKS-1W，用于隔离输入侧和输出侧电源。

需要说明的是，+15V、-15V和GND是外部提供的接入点。图中的PE与GND均表示接地。

以上所述的仅是本实用新型的优先实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。