專利名稱：用于光伏電站電壓測量中的電壓頻率轉換高壓隔離電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電壓頻率轉換高壓隔離電路，尤其是一種用于光伏電站電壓測量中的電壓頻率轉換高壓隔離電路，具體地說是用于光伏電站中對光伏電池板的高電壓監(jiān)測，監(jiān)測隔離直流電壓可高達1000V以上，屬于 光伏電壓監(jiān)測的技術領域。
背景技術：
隨著社會的發(fā)展，能源的需求日趨緊張。中國太陽能資源非常豐富，加快光伏電站的建設不僅符合我國國情，也會更加有力地推動我國經(jīng)濟結構轉型和能源結構優(yōu)化。隨著計算機技術的發(fā)展，人們對光伏電站的監(jiān)控要求越來越高，匯流箱的智能化越來越普及。光伏電站中電池板電壓一般都高達數(shù)百伏，甚至上千伏。智能匯流箱一般都帶有電池板電壓監(jiān)測功能，為了能夠安全監(jiān)測電壓的大小，目前電路一般使用模擬線性光耦隔離電路。其原理為線性光耦由一個發(fā)光二極管和兩個光電二極管組成，加上外部的運算放大器負反饋電路，一起組成了隨著光強變化的模擬線性光耦隔離電路。這種模擬線性光耦隔離電路需要發(fā)光二極管的光盡量完全相同的照射到兩個光電二極管，并且對這兩個光電二極管的光電轉換特性的一致性要求很高。想要把精度做的高，比較困難。而且，隨著時間變長，發(fā)光二極管的老化，采集精度也會相應下降。所以原來的電路存在的問題1、成本高；2、對光耦器件要求高；3、測量誤差大，長時間后精度降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種用于光伏電站電壓測量中的電壓頻率轉換高壓隔離電路，其能降低隔離光耦的要求，減少對隔離光耦性能的依賴，確保隔離電壓采集電路長期性能穩(wěn)定運行，實現(xiàn)高電壓隔離模擬量的檢測，測量方便，安全可
O按照本發(fā)明提供的技術方案，所述用于光伏電站電壓測量中的電壓頻率轉換高壓隔離電路，包括輸入電壓接口，所述輸入電壓接口的正極端通過分壓電阻與第二十五電阻串接后與高壓地相連，輸入電壓接口的負極端與高壓地相連；第二十五電阻與分壓電阻相連的一端通過第二十二電阻與第一運算放大器的同相端相連，第一運算放大器的反相端通過第二十三電阻與第一運算放大器的輸出端相連；第一運算放大器的輸出端通過第四十二電阻與第二運算放大器的反相端相連，且第一運算放大器的輸出端通過第三十電阻與第二運算放大器的同相端相連；所述第三十電阻與第二運算放大器相連的一端還通過第二十四電阻與高壓地相連；第二運算放大器的反相端通過第二十電容與第二運算放大器的輸出端相連；第二運算放大器的反相端通過第四十五電阻的比較電路的一端相連，且第二運算放大器的輸出端與比較電路的另一端相連，比較電路的輸出端與光耦晶閘管一次回路的一端相連，所述光耦晶閘管一次回路的另一端通過第三十七電阻與隔離電壓電路內(nèi)的隔離電壓輸出端相連；光耦晶閘管二次回路的一端與地相連，光耦晶閘管二次回路的另一端通過第三十八電阻與電源VCC相連，并形成轉換輸出端；比較電路與隔離電壓電路的隔離電壓輸出端相連；第二運算放大器根據(jù)第二十電容上的電壓值向比較電路輸出調(diào)節(jié)信號，比較電路根據(jù)調(diào)節(jié)信號調(diào)整比較電路輸出端的輸出狀態(tài)及第四十五電阻的連接狀態(tài)，以在光耦晶閘管的轉換輸出端得到對應周期的頻率信號。所述比較電路采用555定時器，第二運算放大器)的反相端通過第四十五電阻與555定時器的DIS端相連；第二運算放大器的輸出端與555定時器的CVOLT端相連；555定時器的輸出端與光稱晶閘管一次回路的一端相連,555定時器的RST端與第三十九電阻及第七十八電容的一端相連，所述第七十八電容的另一端與高壓地相連，第三十九電阻與555定時器的RST端相連的另一端與定時器的TRIG端相連,并通過第四十電阻與高壓地相連，且通過第五i^一電阻與555定時器的THR相連；555定時器的VCC端與555 定時器的RST端相互連接；所述第三十九電阻與555定時器的RST相連的一端與隔離電壓電路內(nèi)的隔離電壓輸出端相連。所述隔離電壓電路包括隔離電源，所述隔離電源的Vin端與電源VCC相連，隔離電源的GND端接地；隔離電源的OV端與高壓地相連，隔離電源的VO端通過第二電感分別與第二十一電阻的一端相連，所述第二十一電阻的另一端與高壓地相連，所述第二十一電阻的兩端并聯(lián)有第七十七電容；所述第二電感與第二十一電阻、第七十七電容相連的端部形成隔離電壓輸出端。所述第二十五電阻與分壓電阻相連的一端還與二極管的陰極端相連，所述二極管的陽極端與高壓地及第七十九電容的一端相連，所述第七十九電容與二極管相連的另一端與隔離電壓電路內(nèi)的隔離電壓輸出端相連。所述分壓電阻包括依次串接的第四十四電阻，所述第四十四電阻與第四十一電阻、第十八電阻、第四十三電阻、第四十六電阻、第四十七電阻及第四十八電阻。所述第一運算放大器與第二運算放大器均采用單電源軌對軌運算放大器放大器。所述隔離電源采用IB0505LS-W75的電源模塊。本發(fā)明的優(yōu)點采用軌對軌運算放大器，提高了輸入電壓幅度和轉換電路的測量范圍；巧妙的設計了電壓/頻率轉換電路，降低了材料成本，提高了轉換精度；該電路降低了對隔離光耦的要求，不需要使用較復雜的線性隔離光耦；該電路的供電電源為直流+5V ；該電路設計精巧，元器件少，測試測量方便，確保隔離電壓采集電路長期性能穩(wěn)定運行，實現(xiàn)高電壓隔離模擬量的檢測，測量方便，安全可靠。


圖I為本發(fā)明的電路原理圖。
具體實施例方式下面結合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖I所示以比較電路采用555定時器為例，本發(fā)明的電壓頻率轉換高壓隔離電路包括用于與外部電壓連接的輸入電壓接口 P22，所述輸入電壓接口 P22的正極端通過分壓電阻與第二十五電阻R25串接后與高壓地GND3相連，輸入電壓接口 P22的負極端與高壓地GND3相連；所述分壓電阻包括依次串接的第四十四電阻R44，所述第四十四電阻R44與第四i^一電阻R41、第十八電阻R18、第四十三電阻R43、第四十六電阻R46、第四十七電阻R47及第四十八電阻R48。第二十五電阻R25與分壓電阻相連的一端通過第二十二電阻R22與第一運算放大器U14A的同相端相連，第一運算放大器U14A的反相端通過第二十三電阻R23與第一運算放大器U14A的輸出端相連；第一運算放大器U14A的輸出端通過第四十二電阻R42與第二運算放大器U14B的反相端相連，且第一運算放大器U14A的輸出端通過第三十電阻R30與第二運算放大器U14B的同相端相連；所述第三十電阻R30與第二運算放大器U14B相連的一端還通過第二十四電阻R24與高壓地GND3相連；第二運算放大器U14B的反相端通過第二十電容C20與第二運算放大器U14B的輸出端相連，且第二運算放大器U14B的反相端通過第四十五電阻R45與定時器的DIS端相連；第二運算放大器U14B的輸出端與定時器的CVOLT端相連；所述定時器即為555定時器。 由于MOS管的優(yōu)點是沒有開關導通的殘余電壓，所以本發(fā)明實施例在使用555定時器的DIS腳做接地開關時，采用了 OD (Open Drain)輸出的MOS器件的定時器，如TI生產(chǎn)的 TLC555。555定時器的輸出端與光稱晶閘管U20 —次回路的一端相連,所述光稱晶閘管U20 一次回路的另一端通過第三十七電阻R37與隔離電壓電路內(nèi)的隔離電壓輸出端相連；光率禹晶閘管U20 _■次回路的一端與地GND相連，光稱晶閘管U20 _■次回路的另一端通過第三十八電阻R38與電源VCC相連，并形成轉換輸出端；555定時器的RST端與第三十九電阻R39及第七十八電容C78的一端相連，所述第七十八電容C78的另一端與高壓地GND3相連，第三十九電阻R39與555定時器的RST端相連的另一端與555定時器的TRIG端相連，并通過第四十電阻R40與高壓地GND3相連，且通過第五i^一電阻R51與555定時器的THR相連；555定時器的VCC端與555定時器的RST端相互連接；所述第三十九電阻R39與555定時器的RST相連的一端與隔離電壓電路內(nèi)的隔離電壓輸出端相連。本發(fā)明實施例中所述第一運算放大器U14A與第二運算放大器U14B均采用TS922AID的放大器。所述隔離電壓電路包括隔離電源U12，所述隔離電源U12的Vin端與電源VCC相連，隔離電源U12的GND端接地；隔離電源U12的OV端與高壓地GND3相連，隔離電源U12的VO端通過第二電感L2分別與第二i^一電阻R21的一端相連，所述第二i^一電阻R21的另一端與高壓地GND3相連，所述第二十一電阻R21的兩端并聯(lián)有第七十七電容C77 ;所述第二電感L2與第二十一電阻R21、第七十七電容C77相連的端部形成隔離電壓輸出端。本發(fā)明實施例中，隔離電壓輸出端輸出+5V2的電壓，用于提供電路中的隔離電壓。所述隔離電源U12采用IB0505LS-W75的電源模塊。本發(fā)明隔離電壓輸出端輸出+5V電壓，即圖中的+5V2電壓。所述第二十五電阻R25與分壓電阻相連的一端還與二極管TVSl的陰極端相連，所述二極管TVSl的陽極端與高壓地GND3及第七十九電容C79的一端相連，所述第七十九電容C79與二極管TVSl相連的另一端與隔離電壓電路內(nèi)的隔離電壓輸出端相連。所述二極管TVSl的陽極端還與第二運算放大器U14B的電源負極端相連，第二運算放大器U14B的電源正極端與隔離電壓輸出端相連。通過二極管TVSl能夠避免第二十五電阻R25出現(xiàn)危險電壓對整個電路的損壞，通過二極管TVSl能夠?qū)⒌诙咫娮鑂25上輸出的電壓箝位在安全電壓范圍內(nèi)。本發(fā)明中輸入電壓接口 P22用于接入光伏電池板上的電壓，光伏電池板上接入的電壓一般在一千伏左右，為了能夠便于后續(xù)的檢測，通過分壓電阻與第二十五電阻R25進行分壓，并將第二十五電阻R25上的電壓通過第二十二電阻R22接入第一運算放大器U14A的同相端，第一運算放大器U14A用于將相應的電流放大，并經(jīng)過第一運算放大器U14A的輸出端形成轉換輸入電壓Vx。第一運算放大器U14A輸出的轉換輸入電壓Vx經(jīng)過第三十電阻R30、第二十四電阻R24進行分壓，并將第二十四電阻R24兩端的分壓值送入第二運算放大器U14B的同相端。第二運算放大器U14B與第四十二電阻R42、第四十五電阻R45及第二十電容C20構成積分器。本發(fā)明實施例中555定時器有兩個作用，一個是滯回比較器功能，另一個是接地開關功能。從接地開關的控制邏輯上來說，接地開關斷開時對轉換輸入電壓Vx積分輸出是 負斜率，從滯回比較器的轉移特性上來看，要使用滯回比較器輸入電壓的下降段，而555定時器的管腳DIS的接地開關在555輸出為高電平時關斷，所以，從滯回比較器的轉移特性來看，只能選擇轉換輸入電壓Vx在兩個閥值間下降時輸出為高電平的滯回比較器，也就是同相滯回比較器。本發(fā)明工作原理如下在電路中，積分器中的第二運算放大器的同相輸入端的電位VB為
Rl 4VH =~———Vx
Jm + R24當?shù)谒氖咫娮鑂45被斷開時，積分電流為
r n ^R30 IIl =-x-
!m + RlA R42當?shù)谒氖咫娮鑂45被連接到地時，積分電流為
r nVxR30 I VxR24 I12 =-x---x-
R30 + R24 R42 RM) + R24 R45如果R24=2R30，R42=R45=R，則有Il=Vx/3R ； 12=-11V/F 轉換的過程(假設 Vx>0，R39=2*R40)第一階段555定時器輸出高電平,555定時器的管腳DIS對地斷開(相當于輸出高阻狀態(tài))，此時第四十五電阻R45被斷開；積分電流1=11，積分輸出負斜率；本發(fā)明實施例中當電路啟動上電時，第二運算放大器U14B的輸出電壓為+5V2，即加到555定時器的管腳DIS端的電壓為+5V2 ;由于積分器輸出負斜率，當積分器的積分輸出電壓下降到555定時器內(nèi)雙限比較器的低電壓閥值(+5V2*l/3)時，555定時器內(nèi)部比較器輸出翻轉，555定時器輸出低電平時。當555定時器輸出低電平時，光耦晶閘管U20處于接通狀態(tài)。由于光耦晶閘管U20處于接通狀態(tài)，轉換輸出端VFout在第三十八電阻R38及隔離電源VCC作用下呈低電平狀態(tài)。上述555定時器內(nèi)雙限比較器的低電壓閾值(+5V2*l/3)是由第三十九電阻R39及第四十電阻R40間的阻值關系決定。此時第四十五電阻R45被接地，第一階段積分結束。第二階段當555定時器輸出低電平時，555定時器的管腳DIS接地，此時，當?shù)谒氖咫娮鑂45被接地，積分電流1=-11，積分輸出正斜率。當隨著積分器的不斷積分，當積分電壓上升到555定時器內(nèi)雙限比較器的高電壓閥值(+5V2*2/3)時，555內(nèi)部比較器輸出翻轉；上述555定時器內(nèi)雙限比較器的低電壓閾值(+5V2*l/3)是由第三十九電阻R39及第四十電阻R40間的阻值關系決定。當555定時器輸出高電平時，光耦晶閘管U20處于關斷狀態(tài)。由于光耦晶閘管U20處于關斷狀態(tài)，轉換輸出端VFout在第三十八電阻R38及隔離電源VCC作用下呈高電平狀態(tài)。此時第四十五電阻R45被斷開，即555定時器的管腳DIS端對地斷開，第二階段積分結束，恢復到第一階段。上述第一階段與第二階段如此往復，形成振蕩，從而能夠得到一個周期變換的方波信號，根據(jù)方波信號的周期能夠光伏電池板的測量。當?shù)谌娮鑂30與第二十四電阻R24相等，即R30=R24=R，C20=C, R39=2*R40時，我們可以得到這種V/F轉換的周期T和頻率F為
權利要求
1.一種用于光伏電站電壓測量中的電壓頻率轉換高壓隔離電路，其特征是包括輸入電壓接口(P22)，所述輸入電壓接口(P22)的正極端通過分壓電阻與第二十五電阻(R25)串接后與高壓地(GND3)相連，輸入電壓接口(P22)的負極端與高壓地(GND3)相連；第二十五電阻(R25)與分壓電阻相連的一端通過第二十二電阻(R22)與第一運算放大器(U14A)的同相端相連，第一運算放大器(U14A)的反相端通過第二十三電阻(R23)與第一運算放大器(U14A)的輸出端相連；第一運算放大器(U14A)的輸出端通過第四十二電阻(R42)與第二運算放大器(U14B)的反相端相連，且第一運算放大器(U14A)的輸出端通過第三十電阻(R30)與第二運算放大器(U14B)的同相端相連；所述第三十電阻(R30)與第二運算放大器(U14B)相連的一端還通過第二十四電阻(R24)與高壓地(GND3)相連；第二運算放大器(U14B)的反相端通過第二十電容(C20)與第二運算放大器(U14B)的輸出端相連； 第二運算放大器(U14B)的反相端通過第四十五電阻(R45)的比較電路的一端相連，且第二運算放大器(U14B)的輸出端與比較電路的另一端相連，比較電路的輸出端與光耦晶閘管(U20)—次回路的一端相連，所述光耦晶閘管(U20)—次回路的另一端通過第三十七電阻(R37)與隔離電壓電路內(nèi)的隔離電壓輸出端相連；光耦晶閘管(U20) 二次回路的一端與地(GND )相連，光耦晶閘管(U20 ) 二次回路的另一端通過第三十八電阻(R38 )與電源VCC相連，并形成轉換輸出端；比較電路與隔離電壓電路的隔離電壓輸出端相連； 第二運算放大器(U14B)根據(jù)第二十電容(C20)上的電壓值向比較電路輸出調(diào)節(jié)信號，比較電路根據(jù)調(diào)節(jié)信號調(diào)整比較電路輸出端的輸出狀態(tài)及第四十五電阻(R45)的連接狀態(tài)，以在光耦晶閘管的轉換輸出端得到對應周期的頻率信號。
2.根據(jù)權利要求I所述的用于光伏電站電壓測量中的電壓頻率轉換高壓隔離電路，其特征是所述比較電路采用555定時器，第二運算放大器(U14B)的反相端通過第四十五電阻(R45)與555定時器的DIS端相連；第二運算放大器(U14B)的輸出端與555定時器的CVOLT端相連； 555定時器的輸出端與光稱晶閘管(U20)—次回路的一端相連,555定時器的RST端與第三十九電阻(R39)及第七十八電容(C78)的一端相連，所述第七十八電容(C78)的另一端與高壓地(GND3)相連，第三十九電阻(R39)與555定時器的RST端相連的另一端與定時器的TRIG端相連，并通過第四十電阻(R40 )與高壓地(GND3 )相連，且通過第五i^一電阻(R51)與555定時器的THR相連；555定時器的VCC端與555定時器的RST端相互連接；所述第三十九電阻(R39)與555定時器的RST相連的一端與隔離電壓電路內(nèi)的隔離電壓輸出端相連。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的用于光伏電站電壓測量中的電壓頻率轉換高壓隔離電路，其特征是所述隔離電壓電路包括隔離電源(U12)，所述隔離電源(U12)的Vin端與電源VCC相連，隔離電源(U12 )的GND端接地；隔離電源(U12 )的OV端與高壓地(GND3 )相連，隔離電源(U12)的VO端通過第二電感(L2)分別與第二i^一電阻(R21)的一端相連，所述第二十一電阻(R21)的另一端與高壓地(GND3)相連，所述第二十一電阻(R21)的兩端并聯(lián)有第七十七電容(C77);所述第二電感(L2)與第二i^一電阻(R21)、第七十七電容(C77)相連 的端部形成隔離電壓輸出端。
4.根據(jù)權利要求I所述的用于光伏電站電壓測量中的電壓頻率轉換高壓隔離電路，其特征是所述第二十五電阻(R25)與分壓電阻相連的一端還與二極管(TVSl)的陰極端相連，所述ニ極管(TVSl)的陽極端與高壓地(GND3)及第七十九電容(C79)的一端相連，所述第七十九電容(C79)與ニ極管(TVSl)相連的另一端與隔離電壓電路內(nèi)的隔離電壓輸出端相連。
5.根據(jù)權利要求I所述的用于光伏電站電壓測量中的電壓頻率轉換高壓隔離電路，其特征是所述分壓電阻包括依次串接的第四十四電阻(R44)，所述第四十四電阻(R44)與第四i^ 一電阻(R41)、第十八電阻(R18)、第四十三電阻(R43)、第四十六電阻(R46)、第四十七電阻(R47)及第四十八電阻(R48)。
6.根據(jù)權利要求I所述的用于光伏電站電壓測量中的電壓頻率轉換高壓隔離電路，其特征是所述第一運算放大器(U14A)與第二運算放大器(U14B)均采用單電源軌對軌運算放大器放大器。
7.根據(jù)權利要求I所述的用于光伏電站電壓測量中的電壓頻率轉換高壓隔離電路，其特征是所述隔離電源(U12)采用IB0505LS-W75的電源模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于光伏電站電壓測量中的電壓頻率轉換高壓隔離電路，其包括輸入電壓接口，輸入電壓接口的正極端通過分壓電阻與第二十五電阻串接后與高壓地相連，第二十五電阻通過第二十二電阻與第一運算放大器的同相端相連，第一運算放大器的輸出端通過第十二電阻與第二運算放大器的反相端相連，并通過第三十電阻與其同相端相連；第二運算放大器的反相端通過第二十電容與其輸出端相連，且其反相端通過第四十五電阻與DIS端相連；第二運算放大器的輸出端CVOLT端相連；定時器的輸出端與光耦晶閘管相連，光耦晶閘管二次回路的一端形成轉換輸出端。本發(fā)明確保隔離電壓采集電路長期性能穩(wěn)定運行，實現(xiàn)高電壓隔離模擬量的檢測，測量方便。
文檔編號G01R15/14GK102778597SQ201210275769
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月4日 優(yōu)先權日2012年8月4日
發(fā)明者楊朝輝, 郭志華 申請人:無錫隆瑪科技股份有限公司