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變頻器電路中的光耦器件

作者: 時(shí)間:2011-10-11 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
一、電路中為什么要使用?

  電氣隔離的要求。A與B電路之間,要進(jìn)行信號(hào)的傳輸,但兩電路之間由于供電級(jí)別過于懸殊,一路為數(shù)百伏,另一路為僅為幾伏;兩種差異巨大的供電系統(tǒng),無法將電源共用;

  A電路與強(qiáng)電有聯(lián)系,人體接觸有觸電危險(xiǎn),需予以隔離。而B線路板為人體經(jīng)常接觸的部分,也不應(yīng)該將危險(xiǎn)高電壓混入到一起。兩者之間,既要完成信號(hào)傳輸,又必須進(jìn)行電氣隔離;

  運(yùn)放電路等高阻抗型器件的采用,和電路對(duì)模擬的微弱的電壓信號(hào)的傳輸,使得對(duì)電路的抗干擾處理成為一件比較麻煩的事情——從各個(gè)途徑混入的噪聲干擾,有可能反客為主,將有用信號(hào)“淹沒”掉;

  除了考慮人體接觸的安全,又必須考慮到電路器件的安全,當(dāng)光電耦合器件輸入側(cè)受到強(qiáng)電壓(場(chǎng))沖擊損壞時(shí),因光耦的隔離作用,輸出側(cè)電路卻能安全無恙。

  以上四個(gè)方面的原因,促成了的研制、開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用。光耦的基本作用,是將輸入、輸出側(cè)電路進(jìn)行有效的電氣上的隔離;能以光形式傳輸信號(hào);有較好的抗干擾效果;輸出側(cè)電路能在一定程度上得以避免強(qiáng)電壓的引入和沖擊。

  二、光電耦合器件的一般屬性:

  1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn):輸入側(cè)一般采用發(fā)光二極管,輸出側(cè)采用光敏晶體管、集成電路等多種形式,對(duì)信號(hào)實(shí)施電-光-電的轉(zhuǎn)換與傳輸。

  2、輸入、輸出側(cè)之間有光的傳輸,而無電的直接聯(lián)系。輸入信號(hào)的有無和強(qiáng)弱控制了發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度,而輸出側(cè)接受光信號(hào),據(jù)感光強(qiáng)度,輸出電壓或電流信號(hào)。

  3、輸入、輸出側(cè)有較高的電氣隔離度,隔離電壓一般達(dá)2000V以上。能對(duì)交、直流信號(hào)進(jìn)行傳輸,輸出側(cè)有一定的電流輸出能力,有的可直接拖動(dòng)小型繼電器。特殊型能對(duì)毫伏,甚至微伏級(jí)交、直流信號(hào)進(jìn)行線性傳輸。

  4、因光耦的結(jié)構(gòu)特性,輸入、輸出側(cè)需要相互隔離的獨(dú)立供電電源,即需兩路無“共地”點(diǎn)的供電電源。下述一、二類光耦輸入側(cè)由信號(hào)電壓提供了輸入電流通路,但實(shí)質(zhì)上輸入信號(hào)回路,也是有一個(gè)供電支路的;而線性光耦,則輸入側(cè)與輸出側(cè)一樣,是直接接有兩種相隔離的供電電源的。

  三、在變頻器電路中,經(jīng)常用到的光電耦合器件,有三種類型:

  1、一種為三極管型光電耦合器,如PC816、PC817、4N35等,常用于開關(guān)電源電路的輸出電壓采樣和誤差電壓放大電路,也應(yīng)用于變頻器控制端子的數(shù)字信號(hào)輸入回路。結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單,輸入側(cè)由一只發(fā)光二極管,輸出側(cè)由一只光敏三極管構(gòu)成,主要用于對(duì)開關(guān)量信號(hào)的隔離與傳輸;

  2、第二種為集成電路型光電耦合器,如6N137、HCPL2601等,輸入側(cè)發(fā)光管采用了延遲效應(yīng)低微的新型發(fā)光材料,輸出側(cè)為門電路和肖基特晶體管構(gòu)成,使工作性能大為提高。其頻率響應(yīng)速度比三極管型光電耦合器大為提高,在變頻器的故障檢測(cè)電路和開關(guān)電源電路中也有應(yīng)用;

  3、第三種為線性光電耦合器,如A7840。結(jié)構(gòu)與性能與前兩種光耦器件大有不同。在電路中主要用于對(duì)mV級(jí)微弱的模擬信號(hào)進(jìn)行線性傳輸,在變頻器電路中,往往用于輸出電流的采樣與放大處理、主回路直流電壓的采樣與放大處理。

  下圖為三類光耦器件的引腳、功能原理圖:

  變頻器電路中的光耦器件

  三種光耦合器電路圖

  四、第一類光耦器件的測(cè)量與在線檢測(cè):

  第一類型的光電耦合器,輸入端工作壓降約為1.2V,輸入最大電流50mA,典型應(yīng)用值為10 mA;輸出最大電流1A左右,因而可直接驅(qū)動(dòng)小型繼電器,輸出飽合壓降小于0.4V。可用于幾十kHz較低頻率信號(hào)和直流信號(hào)的傳輸。對(duì)輸入電壓/電流有極性要求。當(dāng)形成正向電流通路時(shí),輸出側(cè)兩引腳呈現(xiàn)通路狀態(tài),正向電流小于一定值或承受一定反向電壓時(shí),輸出側(cè)兩引腳之間為開路狀態(tài)。

  測(cè)量方法:

  數(shù)字表二極管檔,測(cè)量輸入側(cè)正向壓降為1.2V,反向無窮大。輸出側(cè)正、反壓降或電阻值均接近無窮大;

  指針表的x10k電阻檔,測(cè)其1、2腳,有明顯的正、反電阻差異,正向電阻約為幾十kΩ,反向電阻無窮大;3、4腳正、反向電阻無窮大;

  兩表測(cè)量法。用指針式萬用表的x10k電阻檔(能提供15V 或9V、幾十μA的電流輸出),正向接通1、2腳(黑筆搭1腳),用另一表的電阻檔用x1k測(cè)量3、4腳的電阻值,當(dāng)1、2腳表筆接入時(shí),3、4腳之間呈現(xiàn)20kΩ左右的電阻值,脫開1、2腳的表筆,3、4腳間電阻為無窮大。

  可用一個(gè)直流電源串入電阻,將輸入電流限制在10mA以內(nèi)。輸入電路接通時(shí),3、4腳電阻為通路狀態(tài),輸入電路開路時(shí),3、4腳電阻值無窮大。

  3、4種測(cè)量方法比較準(zhǔn)確,如用同型號(hào)光耦器件相比較,甚至可檢測(cè)出失效器件(如輸出側(cè)電阻過大)。

  上述測(cè)量是新器件裝機(jī)前的必要過程。對(duì)上線不便測(cè)量的情況下,必要時(shí)也可將器件從電路中拆下,離線測(cè)量,進(jìn)一步判斷器件的好壞。

  在實(shí)際檢修中,離線電阻測(cè)量不是很便利,上電檢測(cè)則較為方便和準(zhǔn)確。要采取措施,將輸入側(cè)電路變動(dòng)一下,根據(jù)輸出側(cè)產(chǎn)生的相應(yīng)的變化(或無變化),測(cè)量判斷該器件的好壞。即打破故障電路中的“平衡狀態(tài)”,使之出現(xiàn)“暫態(tài)失衡”,從而將故障原因暴露出來。光耦器件的輸入、輸出側(cè)在電路中串有限流電阻,在上電檢測(cè)中,可用減?。ú⒙?lián))電阻和加大電阻的方法(將其開路)等方法,配合輸出側(cè)的電壓檢測(cè),判斷光耦器件的好壞。部分電路中,甚至可用直接短接或開路輸入側(cè)、輸出側(cè),來檢測(cè)和觀察電路的動(dòng)態(tài)變化,利于判斷故障區(qū)域和檢修工作的開展。

  測(cè)量時(shí)的注意事項(xiàng):光耦器件的一側(cè)可能與“強(qiáng)電”有直接聯(lián)系,觸及會(huì)有觸電危險(xiǎn),建議維修過程中為機(jī)器提供隔離電源!

  下圖為常見三極管光耦器件的應(yīng)用電路圖。

  變頻器電路中的光耦器件

  光電耦合器在線檢測(cè)示意圖

  上圖中的(1)電路,為變頻器控制端子電路的數(shù)字信號(hào)輸入電路,當(dāng)正轉(zhuǎn)端子FWD與公共端子COM短接時(shí),PC817的1、2腳之間的電壓由0V變?yōu)?.2V,4腳電壓由5V變?yōu)?V。同理,當(dāng)控制端子呈開路狀態(tài)時(shí),PC817的1、2腳之間電壓為0V,而3、4腳之間電壓為5V。圖(1)電路可以看出光耦器件的各腳電壓值,故障或正常狀態(tài)測(cè)量輸入、輸出腳電壓即可得出判斷。

  上圖(2)電路,測(cè)量1、2之間為0.7V(交流信號(hào)平均值),3、4腳之間為3V ,說明光電耦合器有了輸入信號(hào),但光耦器件本身是否正常?用金屬鑷子短接PC817的1、2腳,測(cè)量4腳的電壓由原3V上升為5V(或有明顯上升),說明光耦器件是好的。若電壓不變,說明光耦損壞。

  五、第二類光耦器件的測(cè)量與在線檢測(cè):

  第二種類型的光電耦合器(6N137),輸入端工作壓降約為1.5V左右,但輸入、輸出最大電流僅為mA級(jí),只起到對(duì)較高頻率信號(hào)的傳輸作用,電路本身不具備電流驅(qū)動(dòng)能力,可用于對(duì)MHz級(jí)信號(hào)進(jìn)行有效的傳輸。同第一類光耦器件一樣,對(duì)輸入電壓/電流有極性要求。當(dāng)形成正向電流通路時(shí),輸出側(cè)兩引腳呈現(xiàn)通路狀態(tài),正向電流小于一定值或承受一定反向電壓時(shí),輸出側(cè)兩引腳之間為開路狀態(tài)。

  此種類型光耦器件的構(gòu)成電路,同第一類光耦器件構(gòu)成的電路形式相類似,但電路傳輸?shù)男盘?hào)頻率較高。其測(cè)量與檢查方法也基本上是相似的。如果說第一類光耦為低速和普通光耦,那么第二類光耦合器,可稱之為高速光耦,二者的區(qū)別,只是對(duì)信號(hào)響應(yīng)速度的不同,在電路形式上則是相同的。

  在線測(cè)量,1、可用短接或開路2、3輸入腳,同時(shí)測(cè)量輸出6、5腳的電壓變化; 2、減小或加大輸入腳外接電阻,測(cè)量輸出腳電壓有無相應(yīng)變化;3、從+5V供電或其它供電串限流電阻引入到輸入腳,檢測(cè)輸出腳電壓有無相應(yīng)變化。來判斷器件是否正常。

六、第三類光耦器件——線性光耦:

  線性光耦,是光電耦合器中一種比較特殊的器件了。

  1、線性光耦的特點(diǎn):

 ?。?) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn):其輸入、輸出側(cè)電路,不再像第一類光耦器件一樣,只是

  二極管/三極管的簡(jiǎn)單電路,而是內(nèi)含放大器,并有各自獨(dú)立的供電回路;沒有信號(hào)輸入極性要求,只將輸入信號(hào)幅度進(jìn)行線性放大。

  (2)輸入側(cè)信號(hào)輸入端,不再呈現(xiàn)發(fā)光二極管的正、反向特性,或許我們完全可以將兩個(gè)信號(hào)輸入端看作是運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端子——輸入阻抗非常高,不再吸取信號(hào)源電流;能用作微弱電壓信號(hào)的輸入和放大;能對(duì)差分信號(hào)有極高的放大能力,對(duì)共模信號(hào)有一定的抑制能力;

 ?。?)輸出側(cè)電路,為差分信號(hào)輸出模式,便于與后級(jí)放大器連接,將信號(hào)作進(jìn)一步處理。

  2、線性光耦器件A7840的引腳功能圖:

  變頻器電路中的光耦器件

  A7840(HCPL-7840)功能方框圖

  A7840(HCPL-7840)的工作參數(shù):輸入側(cè)、輸出側(cè)的供電典型值為5V,輸入電阻480kΩ,最大輸入電壓320mV;差分信號(hào)輸出方式。內(nèi)部輸入電路有放大作用,且為高阻抗輸入,能不失真?zhèn)鬏攎V級(jí)交、直流信號(hào),輸出信號(hào)作為后級(jí)運(yùn)算放大器差分輸入信號(hào)。具有1000倍左右的電壓放大倍數(shù)。典型應(yīng)用,常與后級(jí)運(yùn)算放大器配合,對(duì)微弱(交、直)電壓信號(hào)進(jìn)行放大和處理。

  2、3腳為信號(hào)輸入腳,1、4腳為輸入側(cè)供電端;6、7腳為差分信號(hào)輸出腳,8、5腳為輸出側(cè)供電端。

  在線檢測(cè)方法:可將內(nèi)部電路看作是一只“整體的運(yùn)算放大器”,2、3腳為同相、反相輸入端,7、6腳為信號(hào)輸出端。當(dāng)短接2、3腳(使輸入信號(hào)為零)時(shí),6、7腳之間輸出電壓也為零。當(dāng)2、3腳有mV級(jí)電壓輸入時(shí),6、7腳之間有“放大了的”比例電壓輸出。

  3、由A7840構(gòu)成的電流信號(hào)檢測(cè)電路:

  變頻器電路中的光耦器件

  英威騰G9/P9小功率變頻器的輸出電流采樣電路

  部分小功率變頻器機(jī)型,對(duì)輸出電流的采樣,省掉了電流互感器。在U、V輸出電路中直接串接了mΩ級(jí)的電流采樣電阻,將輸出電流信號(hào)由采樣電阻轉(zhuǎn)化為mV級(jí)電壓信號(hào),將此電阻上的電壓信號(hào)經(jīng)R1、R2引入到U3、U4(A7840)R的信號(hào)輸入端,由U3、U4進(jìn)行光電隔離和線性傳輸,再經(jīng)U5(TL082)進(jìn)行放大(阻抗變換)后,送后級(jí)電流檢測(cè)與保護(hù)電路進(jìn)一步處理,再送入CPU。U4、U3輸入側(cè)的供電是由驅(qū)動(dòng)電路供電(隔離電源)再經(jīng)U1、U2(L7805穩(wěn)壓器)穩(wěn)壓成5V來提供的,此電源必須是與控制電路相隔離的。U4、U5的輸出側(cè)供電,則是由CPU主板供電的+5V電源提供的。A7840將輸入百mV級(jí)電壓信號(hào)放大輸出為V級(jí)表征著輸出電流大小的差分電壓信號(hào),再經(jīng)后級(jí)U5運(yùn)算放大器反相輸出正電壓信號(hào),送后后級(jí)電流信號(hào)處理電路。分別被處理成一定幅度的模擬信號(hào)送入CPU,用作輸出電流顯示及輸出控制;被處理成開關(guān)量信號(hào),用于故障報(bào)警,停機(jī)保護(hù)等。

  此兩路電流檢測(cè)信號(hào)輸出,在線路板上標(biāo)注有IU、IV字樣,是為檢測(cè)點(diǎn)。

  4、由A7840構(gòu)成的直流回路電壓信號(hào)檢測(cè)電路:

  變頻器電路中的光耦器件

  阿爾法ALPHA2000 18.5kW變頻器直流回路電壓檢測(cè)電路

  阿爾法ALPHA2000 18.5kW變頻器直流回路電壓檢測(cè)電路,電壓采樣信號(hào)直接取自直流回路的P、N端的530V直流電壓,經(jīng)電阻降壓、分壓網(wǎng)絡(luò),將分壓所得mV級(jí)電壓信號(hào),加到小信號(hào)處理光電耦合器A7840(U14)的2、3輸入腳上,經(jīng)U14實(shí)施強(qiáng)、弱電隔離后,形成差分信號(hào)輸入到LF353運(yùn)算放大器的2、3腳,本級(jí)電路接成電壓跟隨器,輸出信號(hào)由電位器中心頭(線路板上廠家標(biāo)注測(cè)試點(diǎn)VPN)輸出至CPU主板與電源/驅(qū)動(dòng)板的排線端子CNN1的8腳。在三相輸入電壓為380V時(shí),8腳采樣直流電壓為3V。

  A7840的輸入側(cè)供電,是由開關(guān)變壓器的一個(gè)獨(dú)立繞組的交流電壓,經(jīng)D41、C46等整流濾波,由集成穩(wěn)壓器78L05穩(wěn)壓成5V提供的;輸出側(cè)供電,則采用CPU主板供電電源+5V。

  直流回路電壓檢測(cè)信號(hào)由排線端子CNN1、CNM的8腳進(jìn)入CPU主板,一路經(jīng)R174直接輸入CPU的53腳,此路信號(hào)為模擬電壓信號(hào),其作用:1、供操作面板顯示直流電壓值,有的變頻器機(jī)型經(jīng)程序換算后顯示輸入交流電壓值;2、有的機(jī)型用于對(duì)輸出U/F比的控制,使輸出電壓值比例于輸入電壓值;3、少數(shù)機(jī)型用于過、欠壓保護(hù)的采樣參考。

  另一路經(jīng)R155送入LF393開路集電極輸出運(yùn)放構(gòu)成的電壓比較器的反相輸入端,該路輸出信號(hào)與過流(OL)、OC、OH等信號(hào)一起混合為一路“故障匯總信號(hào)”,經(jīng)CPU外圍電路進(jìn)一步處理,送入CPU引腳,作停機(jī)保護(hù)和切斷驅(qū)動(dòng)脈沖的控制。LF393的同相輸入端可看作為“可編程基準(zhǔn)電壓端”,其基準(zhǔn)電壓的幅值由CPU的42、51腳輸出電壓控制,在起動(dòng)和運(yùn)行過程中分別給出不同的基準(zhǔn)電壓值,與輸入電壓檢測(cè)信號(hào)相比較。變頻器的不同工作過程,則保護(hù)動(dòng)作閥值也有所不同。

  當(dāng)電壓檢測(cè)電路本身發(fā)生故障時(shí),其檢修方法如下:

  a、變頻器上電后,即報(bào)出過壓或欠壓故障,見上圖電壓檢測(cè)電路。測(cè)量CN1的8端子電壓,正常值應(yīng)為3V左右。測(cè)量此點(diǎn)電壓值偏高或偏低,說明電壓檢測(cè)電路有故障。首先檢測(cè)A7840的輸入側(cè)、輸出側(cè)的5V供電是否正常,LF353的正負(fù)15V供電是否正常,若不正常,修復(fù)相關(guān)電源供電支路。若正常,進(jìn)行下一步檢修;

  b、測(cè)量A7840的2、3腳之間有100mV以上輸入電壓,用金屬尖鑷子短接A7840的2、3腳,測(cè)量LF353的輸出腳1腳電壓有明顯下降,說明以上電壓信號(hào)傳輸環(huán)節(jié)均正常,故障在LF353外接電位器不良或失調(diào)。更換并重新調(diào)整。調(diào)整變頻器的相關(guān)參數(shù),令操作顯示面板顯示直流回路的電壓值,當(dāng)輸入三相電壓為380V時(shí),調(diào)整該電位器,使直流電壓顯示值為530V,即可;

  c、用金屬尖鑷子短接A7840的2、3腳,測(cè)量LF353的1腳電壓無變化,進(jìn)一步檢測(cè)LF353的輸入腳電壓(正常值為3左右,鑷子短接A7840輸入腳時(shí)變?yōu)镺V)值無變化,A7840或外電路元件損壞;LF353輸入腳電壓值為正常值, LF353損壞,更換LF353。

  d、用鑷子短接A7840的2、3腳時(shí),LF353輸入電壓值有變化,但其值偏低,如從1V變化為0V,檢查A7840外圍元件正常,故障為A7840低效,更換A7840。

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