WB121高速宽带跟踪型电量隔离传感器原理及其应用

WB121高速宽带跟踪型电量隔离传感器原理及其应用

在各种自动检测、控制系统中，常常需要对高速变化的交直流电流、电压信号作跟踪采集，对比较复杂的波形作频谱分析。这类信号可能是高压、大电流等强电，也可能是负载能力很差的弱电，或是幅值很小的信号。它们的一个共同特点是不宜直接与计算机类的系统相接，怕计算机干扰它，或是怕它干扰计算机，或是因信号太强、太弱，难于与计算机匹配。WB121高速宽带跟踪型电量隔离传感器正是针对用户的这种需求而设计的。本文将对该产品的性能及应用范围作概略介绍。
　　WB121高速宽带跟踪型电量隔离传感器采用线性光电隔离原理，对电网或电路中的交流、直流或交直流混合的电流、电压信号进行实时测量，经隔离转换成跟踪输入信号的、有一定驱动能力的、标准的输出电压信号。WB121具有交直流通用、高精度、高隔离、宽频响、快响应时间、低漂移、低功耗、宽温度范围等特点；能直接与计算机、可编程控制器或其他数据采集器连接，用于各种快速反应波形的隔离跟踪测量；特别是可以在模拟量的高速数据采集系统、变频调速设备、可控硅控制设备及其他电气设备中用作跟踪测量。

工作原理
　　WB121电量隔离传感器主要分为两类，即WBV121电压隔离传感器和WBI121电流隔离传感器。二者的工作原理，除输入电路略有不同外，其他都相同，原理框图如图1所示。输入电压Vin(或电流Iin)信号送至输入电路，后者将信号转换成某种标准电压，并赋予较强的驱动能力；光电隔离电路实现输入信号的线性变换及隔离处理；输出电路将信号进一步放大，同时实现整个传感器的量程调节，输出是跟踪输入信号、具有较强的驱动能力的标准化电压，方便用户使用。传感器内部还配备了DC/DC转换器，从辅助电源+E提取能量，供输入电路使用。

主要技术指标
　　输入规格：输入电压0～50mV到0～1000V；输入电流0～1mA到0～5A；如外接分流器，输入电流可高达上千安培。
　　输出电压：0～3.5V, 0～5V, 0～10V；
　　精度等级：0.2级；
　　温度漂移：150×10-6/℃；
　　线性范围：0～120%标称输入；
　　频率响应：DC～30kHz，最高可达100kHz；
　　响应时间：15μs，最低可达4μs；
　　输入阻抗：Ri＝Vi×10kΩ/V，当Vx＞1V时；Ri＞1MΩ，当Vx≤1V时；也可在整个输入范围实现高阻输入；
　　过载能力：10倍标称输入值，持续5s；特制品也可承受长期输入过载；
　　负载能力：5mA DC；
　　辅助电源：±12V；
　　静态功耗：400mW；
　　隔离耐压：＞1.5kV DC，1分钟；
　　输出纹波：＜5mV AC ；
　　环境温度：0～+50℃；
　　外型尺寸：S型：99(宽)×63(高)×24(深)mm；E型：59(宽)×46(高)×21(深)mm；D型：32(宽)×23(高)×29(深)mm。

典型频率特性
　　作为跟踪型传感器，其最重要的性能就是对输入信号的快速响应，有很宽的通频带。
　　WB121典型特性如表1所示。其中方案3为标准型，方案1、方案2为特制型。其输出幅频特性和相频特性如图2、图3所示。图中，输入为正弦波，Vgi为跟踪电压输出有效值，Di为输出电压正弦波滞后输入电压正弦波的角度。Vgi0为输入50Hz信号时的输出电压有效值。Vg1、D1,Vg2、D2及Vg3、D3分别对应方案1、2及3。注意，为方便用户在较低频率下的应用，两图中横坐标标尺是不均匀的。
　　其中响应时间是输入直流阶跃信号，输出电压达到满度输出值的90%时的延迟时间。
　　输出纹波是当输入电压为0时，输出噪声电压有效值与满度输出电压有效值之比。
　　表1

　　从图2和图3可见，在很宽的频率范围内，输出电压的幅度及相位都有很平坦的特性。这为用户进一步分析信号波形提供了方便。

应用简介
　　WB121高速宽带跟踪型电量隔离传感器可以实时、准确地跟踪测量任意波形的电流、电压信号，将其隔离后输出具有标准值的电压信号。传感器可用于晶闸管输出的已严重失真的正弦波信号检测，经脉宽调制处理的PWM波检测，电力系统畸变波形检测，功率设备中的高速闭环反馈控制等。传感器实现了输入信号和输出信号的电隔离，其隔离绝缘电压达1.5kV以上。因此，输出信号与后续设备可直接连接。通常，后续设备可以是巡回检测装置、计算机控制系统、可编程控制器（PLC）及各种电力、电子控制设备等。
　　WB121的典型应用如图4所示。传感器与后续设备靠近，输出端可接至设备的高速A/D等电路，信号由计算机等控制采样、处理。
　　传感器典型的传递函数可近似表达为K=Vg/X，或Vg=K·X
　　这里X表示输入电量，可以是交流、直流或交直流混合的电流、电压信号。Vg是有标准输出量程的电压量。一般地，K是一个与用户要求有关的正常数，即输出紧紧跟踪输入电量的变化。当输入信号频率高时，K不可再简化为一个常数，而与输入频率有关，如图2、图3所示。

灵活应用
　　实现公式Vg=－K·X
　　这里K为正常数，即输出量与输入量正好反向。这只要将输入信号的两端反接即可。
　　实现公式Vg=K·X+A
　　这里K、A为正常数，即输出量为在K·X的基础上再向上平移A大小的电压。例如，可将双向直流电量转换成单向直流电压；将交流电量转换成同样波形的直流电压。有的A/D转换器仅允许单向输入电压信号，这种变换有利于直接与A/D转换器相连。A值一般由用户提出，生产厂实现。
　　实现公式Vg=－K·X+A
　　这里K、A为正常数，即输出量为在－K·X的基础上再向上平移A大小的电压。举例，有个用户提出这样的要求：输入电压X变化范围是0～10V，要求输出对应电压是5～0V。从上式可见，只需取K=0.5和A=5V即可。
　　灵活运用方式还有一些，不再细述。一般地，上述公式中的参数K、A，由用户提出，生产厂调校。如果用户需要临时对K、A作一些微调，也可打开传感器上的窗口，按使用说明书要求调整。