隔离电压线性光耦的制作方法

本实用新型涉及电子技术领域，具体地说，是涉及一种自制的超高隔离电压线性光耦。

背景技术：

线性光耦是一种用于模拟信号隔离传输的器件。光耦其真正隔离的是电流，使得输入输出隔离开来，因此，光耦能够保护被测对象和测试电路，并减小环境干扰对测试电路的影响。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的。这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。

而线性顾名思义：输入与输出呈现线性变化，所以线性度好的光耦方便了对输入侧信号的采集与显示，而无需额外的信号变换与处理。

如果对被测试量的量程变化范围要求较大、精度要求较高时，使用反馈型线性光耦器件无疑是比较合适的。但是，在光耦的线性化使用或者说在使用线性光耦器件的过程中，其线性度往往并不能完全令人满意。而耐压对集成IC而言就要受到一些制约，这一约束在用到高压检测环节中就显得不那么可靠。例如现有技术中的两款线性光耦的器件，分别是HCNR200和EL817，这两种芯片给出的输入输出的隔离电压分别为1414Vrms和5000Vrms。但是当需要检测的高压端为10KV，并带有大容量存储性负载，如电容。这时候就需要考虑，若高压端分压环节因绝缘处理不好被击穿，则CU2/2全部能量发生倒灌，则线性光耦就会被击穿，存在严重的安全隐患。

在许多需要大绝缘耐压的场合，比如供电线路必须在耐压试验过关之后才能正常供电，而传统的试验变压器极其笨重，操作相对复杂，逐渐被便携式电子设备所替代。

基于此，提供一种自制的线性光耦，同时能具备线性光耦的线性稳定度和超高隔离电压(如50KV)就显得尤为重要。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能具备线性光耦的线性稳定度和超高隔离电压的隔离电压线性光耦。

本申请在直流高压发生器高压检测环节，高隔离耐压线性光耦用来隔离控制和显示高压端的实际值。

本申请的高压端通过接1G欧姆的电阻与167K欧姆的电阻进行分压，在 167K电阻上面取电压，这样高压端0～30KV的高压端就可以变为0～5V的变化范围。然后接隔离耐压50KV的线性光耦，通过隔离取样电压用来给表头显示并且通过比较控制驱动模块是否产生驱动脉冲维持高压。整个系统中线性光耦至关重要。初级输入环节(驱动二极管发光)利用运放做负反馈，理想状态运放输入阻抗非常高，所以初级线性度得到了良好的保障。此时，次级接收环节使用的光敏光敏三极管3DU33，集电极接电源，发射极接电位器，调节电位器阻值产生与初级相同电压。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种隔离电压线性光耦，包括第二瞬态电压抑制器、分压电阻、第一滤波电容、第一电阻、第二滤波电容、负载电阻、第四瞬态电压抑制器、运算放大器、第三二极管、第三电容、第二电阻、第一二极管、光敏三极管和第五电阻，其中，

所述第二瞬态电压抑制器，分别与所述分压电阻、第一滤波电容和第一电阻相耦接；

所述分压电阻，分别与所述第二瞬态电压抑制器、第一滤波电容和第一电阻相耦接；

所述第一滤波电容，分别与所述第二瞬态电压抑制器、分压电阻和第一电阻相耦接；

所述第一电阻，分别与所述第二瞬态电压抑制器、分压电阻、第一滤波电容和运算放大器相耦接；

所述运算放大器，分别与所述第一电阻、第三电容、第一二极管、第五电阻、第二电阻、第三二极管、第二滤波电容、负载电阻和第四瞬态电压抑制器相耦接；

所述第三电容，分别与所述运算放大器、第一二极管和第五电阻相耦接；

所述第三二极管，分别与所述运算放大器、第二滤波电容、负载电阻和第四瞬态电压抑制器相耦接；

所述第二滤波电容，分别与所述运算放大器、第三二极管、负载电阻和第四瞬态电压抑制器相耦接；

所述负载电阻，分别与所述第二滤波电容、第四瞬态电压抑制器、运算放大器和第三二极管相耦接；

所述第四瞬态电压抑制器，分别与所述第二滤波电容、负载电阻、运算放大器和第三二极管相耦接；

所述第二电阻，分别与所述运算放大器、第三电容和第一二极管相耦接；

所述第一二极管，分别与所述光敏三极管、第二电阻、第五电阻、第三电容和运算放大器相耦接；

所述第五电阻，分别与所述第一二极管、第三电容和运算放大器相耦接；

所述光敏三极管，与所述第一二极管相耦接。

优选地，所述第二瞬态电压抑制器、分压电阻和第一滤波电容连接一点并接地。

优选地，所述第二滤波电容、负载电阻和第四瞬态电压抑制器连接一点并接地。

优选地，所述运算放大器的同相输入端与所述第一电阻相耦接，所述运算放大器的反相输入端分别与所述第三电容、第一二极管和第五电阻相耦接，所述运算放大器的输出端分别与所述第三电容和第二电阻相耦接。

优选地，所述运算放大器接地。

优选地，所述第五电阻接地。

优选地，所述光敏三极管的集电极接12V电源，发射极接输出。

与现有技术相比，本实用新型所述的超高压隔离电压线性光耦，达到了如下效果：

本申请的优势在于高绝缘度，利用此模块进行高压检测和显示时非常安全。通常使用高压设备时存在安全隐患，在研发高压设备时需要综合考虑，安全第一，而本申请的超高压隔离电压线性光耦是绝对安全的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为实施例1中超高压隔离电压线性光耦；

图2为PCB制板形状；

图3a－图3b为发光二极管光电参数；

其中，第二瞬态电压抑制器-D2、分压电阻-R3、第一滤波电容-C1、第一电阻-R1、第二滤波电容-C2、负载电阻-R4、第四瞬态电压抑制器-D4、运算放大器-U1A、第三二极管-D3、第三电容-C3、第二电阻-R2、第一二极管 -D1、光敏三极管-Q1和第五电阻-R5。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本实用新型的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本实用新型的一般原则为目的，并非用以限定本实用新型的范围。本实用新型的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明，但不作为对本实用新型的限定。

实施例1：

结合图1，本实施例提供了一种隔离电压线性光耦，包括第二瞬态电压抑制器D2、分压电阻R3、第一滤波电容C1、第一电阻R1、第二滤波电容C2、负载电阻R4、第四瞬态电压抑制器D4、运算放大器U1A、第三二极管D3、第三电容C3、第二电阻R2、第一二极管D1、光敏三极管Q1和第五电阻R5。

所述第二瞬态电压抑制器D2，分别与所述分压电阻R3、第一滤波电容 C1和第一电阻R1相耦接；

所述分压电阻R3，分别与所述第二瞬态电压抑制器D2、第一滤波电容 C1和第一电阻R1相耦接；

所述第一滤波电容C1，分别与所述第二瞬态电压抑制器D2、分压电阻 R3和第一电阻R1相耦接；

所述第一电阻R1，分别与所述第二瞬态电压抑制器D2、分压电阻R3、第一滤波电容C1和运算放大器U1A相耦接；

所述运算放大器U1A，分别与所述第一电阻R1、第三电容C3、第一二极管D1、第五电阻R5、第二电阻R2、第三二极管D3、第二滤波电容C2、负载电阻R4和第四瞬态电压抑制器D4相耦接；

所述第三电容C3，分别与所述运算放大器U1A、第一二极管D1和第五电阻R5相耦接；

所述第三二极管D3，分别与所述运算放大器U1A、第二滤波电容C2、负载电阻R4和第四瞬态电压抑制器D4相耦接；

所述第二滤波电容C2，分别与所述运算放大器U1A、第三二极管D3、负载电阻R4和第四瞬态电压抑制器D4相耦接；

所述负载电阻R4，分别与所述第二滤波电容C2、第四瞬态电压抑制器 D4、运算放大器U1A和第三二极管D3相耦接；

所述第四瞬态电压抑制器D4，分别与所述第二滤波电容C2、负载电阻 R4、运算放大器U1A和第三二极管D3相耦接；

所述第二电阻R2，分别与所述运算放大器U1A、第三电容C3和第一二极管D1相耦接；

所述第一二极管D1，分别与所述光敏三极管Q1、第二电阻R2、第五电阻R5、第三电容C3和运算放大器U1A相耦接；

所述第五电阻R5，分别与所述第一二极管D1、第三电容C3和运算放大器U1A相耦接；

所述光敏三极管Q1，与所述第一二极管D1相耦接。

实施例2：

在实施例1的基础上本实施例提供了一种隔离电压线性光耦，包括第二瞬态电压抑制器D2、分压电阻R3、第一滤波电容C1、第一电阻R1、第二滤波电容C2、负载电阻R4、第四瞬态电压抑制器D4、运算放大器U1A、第三二极管D3、第三电容C3、第二电阻R2、第一二极管D1、光敏三极管Q1和第五电阻R5。

所述第二瞬态电压抑制器D2，分别与所述分压电阻R3、第一滤波电容 C1和第一电阻R1相耦接；

所述分压电阻R3，分别与所述第二瞬态电压抑制器D2、第一滤波电容 C1和第一电阻R1相耦接；

所述第一滤波电容C1，分别与所述第二瞬态电压抑制器D2、分压电阻 R3和第一电阻R1相耦接；

所述第一电阻R1，分别与所述第二瞬态电压抑制器D2、分压电阻R3、第一滤波电容C1和运算放大器U1A相耦接；

所述运算放大器U1A，分别与所述第一电阻R1、第三电容C3、第一二极管D1、第五电阻R5、第二电阻R2、第三二极管D3、第二滤波电容C2、负载电阻R4和第四瞬态电压抑制器D4相耦接；

所述第三电容C3，分别与所述运算放大器U1A、第一二极管D1和第五电阻R5相耦接；

所述第三二极管D3，分别与所述运算放大器U1A、第二滤波电容C2、负载电阻R4和第四瞬态电压抑制器D4相耦接；

所述第二滤波电容C2，分别与所述运算放大器U1A、第三二极管D3、负载电阻R4和第四瞬态电压抑制器D4相耦接；

所述负载电阻R4，分别与所述第二滤波电容C2、第四瞬态电压抑制器 D4、运算放大器U1A和第三二极管D3相耦接；

所述第四瞬态电压抑制器D4，分别与所述第二滤波电容C2、负载电阻 R4、运算放大器U1A和第三二极管D3相耦接；

所述第二电阻R2，分别与所述运算放大器U1A、第三电容C3和第一二极管D1相耦接；

所述第一二极管D1，分别与所述光敏三极管Q1、第二电阻R2、第五电阻R5、第三电容C3和运算放大器U1A相耦接；

所述第五电阻R5，分别与所述第一二极管D1、第三电容C3和运算放大器U1A相耦接；

所述光敏三极管Q1，与所述第一二极管D1相耦接。

所述第二瞬态电压抑制器D2、分压电阻R3和第一滤波电容C1连接一点并接地。

所述第二滤波电容C2、负载电阻R4和第四瞬态电压抑制器D4连接一点并接地。

所述运算放大器U1A的同相输入端与所述第一电阻R1相耦接，所述运算放大器U1A的反相输入端分别与所述第三电容C3、第一二极管D1和第五电阻 R5相耦接，所述运算放大器U1A的输出端分别与所述第三电容C3和第二电阻 R2相耦接。

所述运算放大器U1A接地。

所述第五电阻R5接地。

所述光敏三极管Q1的集电极接12V电源，发射极接输出。

实施例3：

在实施例2的基础上，本实施例为应用实施例：

如图1所示，R3为低端分压电阻R3，输入信号在同相输入端输入，发光二极管和反馈电阻串联。光敏三极管Q1作为接收器件，光照强度越高，基极电流IB越大，发射极电流IC越大，流过OUT端将发射极电流引入电位器产生电压信号，通过调节电位器来“校准”输出，以此来实现采集信号从隔离两侧的传输。同时在设计PCB时调节发光二极管和光敏三极管Q1的距离来控制隔离电压的等级，一般条件下，空气的绝缘电阻为3KV/mm。根据高压端的最高电压以及余量来综合考虑发光二极管和光敏三极管Q1的距离。在PCB焊接时发光二极管的顶端要与光敏三极管Q1的基极保持水平对正。PCB焊接调试完毕之后，除了光传输通道外，整体需要进行灌封处理，以增加绝缘强度。

图1为该申请的结构原理图，图2为PCB制板形状，中间部分为挖空，挖空部分左边缘焊接发光二极管，右边缘焊接光敏三极管Q1，然后引出红黑两条线，红色接12V，黑色为信号输出线用来控制驱动模块。左边空白部分摆放元器件，以及PCB走线。各元器件之间的连接关系如图1连线所示，交叉连线如果有连接点表示接通，否则表示没有电气连接。D2为瞬态电压抑制器，当分压电压超过6.8V时导通；R3为分压电阻R3，根据分压变比取值；C1为滤波电容，使得输入到运放的采样信号更加稳定且无交流成分，U1A为运算放大器U1ALM358，较为常用且可单电源供电；C2滤波为运放供电电源提高稳定度；R4用来做假负载也能提高输出稳定性并且断电后给电容C2放电；D4 同样为TVS，作用与D2相同，二极管D3单向导通，做为变压器次级做半波整流。R2、D1、R5构成负反馈环节，同时电阻也具有限流作用，D1和Q1作为收发器件，Q1的感应电流正比于D1的光照强度，同时作为基极电流流入光敏三极管Q1，光敏三极管Q1放大后的发射极电流接电位器转换为电压供控制模块使用。图中GND表示接地，12V和12V电源为两组隔离电源。

因为本申请中的发光二极管和光敏三极管Q1需要头对头完全对正，这样如果只凭借焊接固定的话，即使当时没有问题也不敢保证后续安装会碰触，导致变形，影响精度。所以后续使用φ5MM的硬质塑料管先截取固定长度，然后将φ5MM的发光二极管和光敏三极管Q1插入塑料管，然后再焊接到PCB上，而且固定之后非常牢固，而且能够保证两只管子完全对正。

本申请使用的发光二极管为白发白，其选取依据在光敏三极管Q1的接受光谱峰值波长的为880nm左右，所以不管选取什么类型的发光二极管，只要发光波长在880nm左右即可，比如红外管。

相对于高隔离电压和高线性度相比，本申请的结构还存在两点注意事项：

1)输入环节由于运放不取电流，所以相当于输入直接作用于电阻和发光二极管，输入电压的线性变化就需要转变为发光二极管光照强度的线性变化，这时需要看LED的PDF手册，通过输入电流与光照强度特性表来选择合适电阻，若电阻选取合适，那么整个系统线性度非常好。

2)因为隔离，所以输入环节运放的供电也必须隔离，因此需要通过变压器单独设计电源，并且变压器绕线要选取高压绝缘线。

与现有技术相比，本实用新型所述的超高压隔离电压线性光耦，达到了如下效果：

本申请的优势在于高绝缘度，利用此模块进行高压检测和显示时非常安全。通常使用高压设备时存在安全隐患，在研发高压设备时需要综合考虑，安全第一，而本申请的超高压隔离电压线性光耦是绝对安全的。

上述说明示出并描述了本实用新型的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述实用新型构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。