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變頻器電路中的光耦器件

時間:2013-5-15閱讀:1565
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變頻器電路中的光耦器件
一、電路中為什么要使用光耦器件?
電氣隔離的要求。AB電路之間,要進行信號的傳輸,但兩電路之間由于供電級別過于懸殊,一路為數百伏,另一路為僅為幾伏;兩種差異巨大的供電系統,無法將電源共用;
A
電路與強電有,人體接觸有觸電危險,需予以隔離。而B線路板為人體經常接觸的部分,也不應該將危險高電壓混入到一起。兩者之間,既要完成信號傳輸,又必須進行電氣隔離;
   
運放電路等高阻抗型器件的采用,和電路對模擬的微弱的電壓信號的傳輸,使得對電路的抗干擾處理成為一件比較麻煩的事情——從各個途徑混入的噪聲干擾,有可能反客為主,將有用信號淹沒掉;
除了考慮人體接觸的安全,又必須考慮到電路器件的安全,當光電耦合器件輸入側受到強電壓(場)沖擊損壞時,因光耦的隔離作用,輸出側電路卻能安全無恙。以上四個方面的原因,促成了光耦器件的研制、開發和實際應用。光耦的基本作用,是將輸入、輸出側電路進行有效的電氣上的隔離;能以光形式傳輸信號;有較好的抗干擾效果;輸出側電路能在一定程度上得以避免強電壓的引入和沖擊。
二、光電耦合器件的一般屬性:
1
、結構特點:輸入側一般采用發光二極管,輸出側采用光敏晶體管、集成電路等多種形式,對信號實施電--電的轉換與傳輸。
2
、輸入、輸出側之間有光的傳輸,而無電的直接。輸入信號的有無和強弱控制了發光二極管的發光強度,而輸出側接受光信號,據感光強度,輸出電壓或電流信號。
3
、輸入、輸出側有較高的電氣隔離度,隔離電壓一般達2000V以上。能對交、直流信號進行傳輸,輸出側有一定的電流輸出能力,有的可直接拖動小型繼電器。特殊型光耦器件能對毫伏,甚至微伏級交、直流信號進行線性傳輸。
4
、因光耦的結構特性,輸入、輸出側需要相互隔離的獨立供電電源,即需兩路無共地點的供電電源。下述一、二類光耦輸入側由信號電壓提供了輸入電流通路,但實質上輸入信號回路,也是有一個供電支路的;而線性光耦,則輸入側與輸出側一樣,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PC816PC8174N35等,常用于開關電源電路的輸出電壓采樣和誤差電壓放大電路,也應用于變頻器控制端子的數字信號輸入回路。結構zui為簡單,輸入側由一只發光二極管,輸出側由一只光敏三極管構成,主要用于對開關量信號的隔離與傳輸;
2
、第二種為集成電路型光電耦合器,如6N137HCPL2601等,輸入側發光管采用了延遲效應低微的新型發光材料,輸出側為門電路和肖基特晶體管構成,使工作性能大為提高。其頻率響應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電路和開關電源電路中也有應用;
3
、第三種為線性光電耦合器,如A7840。結構與性能與前兩種光耦器件大有不同。在電路中主要用于對mV級微弱的模擬信號進行線性傳輸,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
四、*類光耦器件的測量與在線檢測:
*類型的光電耦合器,輸入端工作壓降約為1.2V,輸入zui大電流50mA,典型應用值為10 mA;輸出zui大電流1A左右,因而可直接驅動小型繼電器,輸出飽合壓降小于0.4V。可用于幾十kHz較低頻率信號和直流信號的傳輸。對輸入電壓/電流有極性要求。當形成正向電流通路時,輸出側兩引腳呈現通路狀態,正向電流小于一定值或承受一定反向電壓時,輸出側兩引腳之間為開路狀態。
測量方法:
數字表二極管檔,測量輸入側正向壓降為1.2V,反向無窮大。輸出側正、反壓降或電阻值均接近無窮大;指針表的x10k電阻檔,測其12腳,有明顯的正、反電阻差異,正向電阻約為幾十,反向電阻無窮大;34腳正、反向電阻無窮大;兩表測量法。用指針式萬用表的x10k電阻檔(能提供15V 9V、幾十μA的電流輸出),正向接通12腳(黑筆搭1腳),用另一表的電阻檔用x1k測量34腳的電阻值,當12腳表筆接入時,34腳之間呈現20kΩ左右的電阻值,脫開12腳的表筆,34腳間電阻為無窮大。 
可用一個直流電源串入電阻,將輸入電流限制在10mA以內。輸入電路接通時,34腳電阻為通路狀態,輸入電路開路時,34腳電阻值無窮大。34種測量方法比較準確,如用同型號光耦器件相比較,甚至可檢測出失效器件(如輸出側電阻過大)。上述測量是新器件裝機前的必要過程。對上線不便測量的情況下,必要時也可將器件從電路中拆下,離線測量,進一步判斷器件的好壞。
   
在實際檢修中,離線電阻測量不是很便利,上電檢測則較為方便和準確。要采取措施,將輸入側電路變動一下,根據輸出側產生的相應的變化(或無變化),測量判斷該器件的好壞。即打破故障電路中的平衡狀態,使之出現暫態失衡,從而將故障原因暴露出來。光耦器件的輸入、輸出側在電路中串有限流電阻,在上電檢測中,可用減小(并聯)電阻和加大電阻的方法(將其開路)等方法,配合輸出側的電壓檢測,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、輸出側,來檢測和觀察電路的動態變化,利于判斷故障區域和檢修工作的開展。
   
測量時的注意事項:光耦器件的一側可能與強電有直接,觸及會有觸電危險,建議維修過程中為機器提供隔離電源!
五、第二類光耦器件的測量與在線檢測
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zui大電流僅為mA級,只起到對較高頻率信號的傳輸作用,電路本身不具備電流驅動能力,可用于對MHz級信號進行有效的傳輸。同*類光耦器件一樣,對輸入電壓/電流有極性要求。當形成正向電流通路時,輸出側兩引腳呈現通路狀態,正向電流小于一定值或承受一定反向電壓時,輸出側兩引腳之間為開路狀態。
此種類型光耦器件的構成電路,同*類光耦器件構成的電路形式相類似,但電路傳輸的信號頻率較高。其測量與檢查方法也基本上是相似的。如果說*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,二者的區別,只是對信號響應速度的不同,在電路形式上則是相同的。
在線測量,1、可用短接或開路23輸入腳,同時測量輸出65腳的電壓變化; 2、減小或加大輸入腳外接電阻,測量輸出腳電壓有無相應變化;3、從+5V供電或其它供電串限流電阻引入到輸入腳,檢測輸出腳電壓有無相應變化。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:
1結構特點:其輸入、輸出側電路,不再像*類光耦器件一樣,只是
二極管/三極管的簡單電路,而是內含放大器,并有各自獨立的供電回路;沒有信號輸入極性要求,只將輸入信號幅度進行線性放大。
2)輸入側信號輸入端,不再呈現發光二極管的正、反向特性,或許我們*可以將兩個信號輸入端看作是運算放大器的兩個輸入端子——輸入阻抗非常高,不再吸取信號源電流;能用作微弱電壓信號的輸入和放大;能對差分信號有*的放大能力,對共模信號有一定的抑制能力;
3)輸出側電路,為差分信號輸出模式,便于與后級放大器連接,將信號作進一步處理。
2、線性光耦器件A7840的引腳功能圖:
 
 A7840
HCPL-7840)功能方框圖
 A7840
HCPL-7840)的工作參數:輸入側、輸出側的供電典型值為5V,輸入電阻480kΩ,zui大輸入電壓320mV;差分信號輸出方式。內部輸入電路有放大作用,且為高阻抗輸入,能不失真傳輸mV級交、直流信號,輸出信號作為后級運算放大器差分輸入信號。具有1000倍左右的電壓放大倍數。典型應用,常與后級運算放大器配合,對微弱(交、直)電壓信號進行放大和處理。
2
3腳為信號輸入腳,14腳為輸入側供電端;67腳為差分信號輸出腳,85腳為輸出側供電端。
在線檢測方法:可將內部電路看作是一只整體的運算放大器23腳為同相、反相輸入端,76腳為信號輸出端。當短接23腳(使輸入信號為零)時,67腳之間輸出電壓也為零。當23腳有mV級電壓輸入時,67腳之間有放大了的比例電壓輸出。
3、由A7840構成的電流信號檢測電路:

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型,對輸出電流的采樣,省掉了電流互感器。在UV輸出電路中直接串接了級的電流采樣電阻,將輸出電流信號由采樣電阻轉化為mV級電壓信號,將此電阻上的電壓信號經R1R2引入到U3U4A7840R的信號輸入端,由U3U4進行光電隔離和線性傳輸,再經U5TL082)進行放大(阻抗變換)后,送后級電流檢測與保護電路進一步處理,再送入CPUU4U3輸入側的供電是由驅動電路供電(隔離電源)再經U1U2L7805穩壓器)穩壓成5V來提供的,此電源必須是與控制電路相隔離的。U4U5的輸出側供電,則是由CPU主板供電的+5V電源提供的。A7840將輸入百mV級電壓信號放大輸出為V級表征著輸出電流大小的差分電壓信號,再經后級U5運算放大器反相輸出正電壓信號,送后后級電流信號處理電路。分別被處理成一定幅度的模擬信號送入CPU,用作輸出電流顯示及輸出控制;被處理成開關量信號,用于故障報警,停機保護等。此兩路電流檢測信號輸出,在線路板上標注有IUIV字樣,是為檢測點。
4、由A7840構成的直流回路電壓信號檢測電路:

阿爾法ALPHA2000 18.5kW變頻器直流回路電壓檢測電路
阿爾法ALPHA2000 18.5kW變頻器直流回路電壓檢測電路,電壓采樣信號直接取自直流回路的PN端的530V直流電壓,經電阻降壓、分壓網絡,將分壓所得mV級電壓信號,加到小信號處理光電耦合器A7840U14)的23輸入腳上,經U14實施強、弱電隔離后,形成差分信號輸入到LF353運算放大器的23腳,本級電路接成電壓跟隨器,輸出信號由電位器中心頭(線路板上廠家標注測試點VPN)輸出至CPU主板與電源/驅動板的排線端子CNN18腳。在三相輸入電壓為380V時,8腳采樣直流電壓為3V
A7840
的輸入側供電,是由開關變壓器的一個獨立繞組的交流電壓,經D41C46等整流濾波,由集成穩壓器78L05穩壓成5V提供的;輸出側供電,則采用CPU主板供電電源+5V
直流回路電壓檢測信號由排線端子CNN1CNM8腳進入CPU主板,一路經R174直接輸入CPU53腳,此路信號為模擬電壓信號,其作用:1、供操作面板顯示直流電壓值,有的變頻器機型經程序換算后顯示輸入交流電壓值;2、有的機型用于對輸出U/F比的控制,使輸出電壓值比例于輸入電壓值;3、少數機型用于過、欠壓保護的采樣參考。
另一路經R155送入LF393開路集電極輸出運放構成的電壓比較器的反相輸入端,該路輸出信號與過流(OL)、OCOH等信號一起混合為一路故障匯總信號,經CPU外圍電路進一步處理,送入CPU引腳,作停機保護和切斷驅動脈沖的控制。LF393的同相輸入端可看作為可編程基準電壓端,其基準電壓的幅值由CPU4251腳輸出電壓控制,在起動和運行過程中分別給出不同的基準電壓值,與輸入電壓檢測信號相比較。變頻器的不同工作過程,則保護動作閥值也有所不同。
當電壓檢測電路本身發生故障時,其檢修方法如下:
a
、變頻器上電后,即報出過壓或欠壓故障,見上圖電壓檢測電路。測量CN18端子電壓,正常值應為3V左右。測量此點電壓值偏高或偏低,說明電壓檢測電路有故障。首先檢測A7840的輸入側、輸出側的5V供電是否正常,LF353的正負15V供電是否正常,若不正常,修復相關電源供電支路。若正常,進行下一步檢修;
b
、測量A784023腳之間有100mV以上輸入電壓,用金屬尖鑷子短接A784023腳,測量LF353的輸出腳1腳電壓有明顯下降,說明以上電壓信號傳輸環節均正常,故障在LF353外接電位器不良或失調。更換并重新調整。調整變頻器的相關參數,令操作顯示面板顯示直流回路的電壓值,當輸入三相電壓為380V時,調整該電位器,使直流電壓顯示值為530V,即可;
c
、用金屬尖鑷子短接A784023腳,測量LF3531腳電壓無變化,進一步檢測LF353的輸入腳電壓(正常值為3左右,鑷子短接A7840輸入腳時變為OV)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A784023腳時,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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