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关于扶梯变频器安全切断探讨

范文

方承和蔡卓帆

摘要：光耦合器以光为媒介传输电信号的元件，由于其对输入、输出电信号有良好的隔离作用，因此在各种需要电气隔离的信号传输电路中，具有广泛的应用。但光耦内部由于对微小的信号有放大左右，比较容易受到干扰。尤其在扶梯的应用场合，因为变频器的运行，本身出于强干扰的工况下。并且在对安全逻辑的判断时，需高的有效率，尤其是涉及到需要认证的安全电路，所以探讨光耦的安全应用与有效滤波尤为重要。

Abstract： Optocouplers use optical as a medium to transmit electrical signals. Because of their good isolation of input and output electrical signals， they have a wide range of applications in signal transmission circuits that require electrical isolation. However， the inside of the optocoupler is relatively susceptible to interference due to the amplification of small signals. Especially in the application of the escalator， because of the operation of the inverter， it is under strong working conditions. Moreover， in the judgment of the safety logic， it is required to be highly efficient， especially when it comes to safety circuits that require authentication. Therefore， it is especially important to discuss the safety application and effective filtering of the optocoupler.

关键词：光耦;滤波;切断;安全

Key words： optocoupler;filtering;cut off;safety

中图分类号：TN773 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻标识码：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号：1006-4311（2019）14-0163-03

0 ?引言

光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。目前，一般的光耦电路在普通场合使用基本没有问题，但是在干扰较强的场合，干扰信号较强，容易产生误触发的现象，导致检测出现误判断。扶梯场合有使用到变频器等干扰较强的设备、传感器检测信号传输线路较长，容易受到干扰，而且扶梯场合对安全要求特别高，不允许出现误动作的现象。

1 ?技术方案

有鉴于此，需要提供一种具备输入开启电压可控和滤波的光耦隔离电路，以解决输入信号传输过程中受到干扰造成误检测和动作的问题。

为实现上述目的，主要采用以下技术方案：

需要重新设计输入开启电压可控和滤波的光耦隔离电路，包括低通滤波器、光耦电路开启电压控制电路以及两路光耦输出电路，所述电路用于滤除高频杂波的RC低通滤波器，具有用于滤除高频杂波的LC滤波器和用于静电保护和防止输入信号反接的电路，具有用于电路开启工作的开关控制电路，具有原边级联的两路输出信号的光耦隔离电路，电路的光耦副边具有一阶低通滤波电路。

①其中RC低通滤波器包括连接在输入回路输入端的电阻（R1）和输入回路末端的电阻（R3），以及两个电阻后端的电容（C1）。

②其中LC滤波器包括两个电感和一个电容，第一电感（L1）接在输入端电阻（R1）后端和电容（C2）之间，第二电感（L2）接在2中输入回路末端电阻（R3）前端与电容（C2）之间。

③用于静电保护和防止输入信号反接的电路，包括并联在电容（C2）两端的TVS管（Z2）和串接于第一电感（L1）之后的二极管（D1）。

④用于控制输入信号电压达到所设定的开启电压时电路才开始工作的电路，包括串接于三极管（Q1）集电极的第一稳压管（Z1），三极管（Q1）基极的上拉电阻（R2），串接于三极管（Q1）基极与第二电感（L2）之间的第二稳压管（Z3）。

⑤有原边级联的两路输出信号的光耦隔离电路，包括三极管（Q1）发射极与第一光耦（PC1）原边发光二极管阳极之间串联的电阻（R5）和电感（L3），原边级联的第一光耦（PC1）和第二光耦（PC2），第二光耦（PC2）原边发光二极管阴极与末端电阻（R3）前端之间串联的电感（L4）和电阻（R11），连接在三极管（Q1）发射极与末端电阻前端之间的电阻（R4、R6）。

⑥光耦隔离电路副边具有一阶低通滤波电路，第一光耦（PC1）副边包括集电极端上拉电阻（R7）和对地电容（C3），以及串接于集电极和CPU之间的电阻（R8）;第二光耦（PC2）副边包括集电极端上拉电阻（R9）和对地电容（C4），以及串接于集电极和CPU之间的电阻（R10）。

2 ?工作原理

为输入的检测信号通过电阻（R1）、电容（C1）、电阻（R3）组成的RC低通滤波电路和电感（L1）、电容（C1）、电感（L2）组成的LC滤波器，可以有效滤除检测信号中的高频杂波干扰，有效地提高信号的抗干扰，通过RC低通滤波电路、LC滤波器、用于静电保护和防止输入信号反接的电路的检测信号与用于电路开启工作的开关控制电路的第一稳压管（Z1）和三极管（Q1）的集电极相连，通过R2电阻与第二稳压管（Z3）阴极相连，同时与三极管（Q1）的基极相连，第二稳压管（Z3）的阳极通过LC滤波器和、RC滤波器与检测信号的地相连，当检测信号的初始电压幅值超过第一稳压管（Z1）、第二稳压管（Z3）的稳压值和防止输入信号反接的二极管的开启电压之和，三极管（Q1）才会导通，两路输出信号的光耦原边通过电流，检测信号传输到光耦副边，通过副边的一阶低通滤波电路传输到CPU;干扰信号幅值不超过第一稳压管（Z1）、第二稳压管（Z3）的稳压值和防止输入信号反接的二极管的开启电压之和，三极管（Q1）不会导通，提高了检测信号的抗干扰特性。

3 ?实施方式

结合图2所示，提供的输入开启电压可控和滤波的光耦隔离电路，包括低通滤波器、光耦电路开启电压控制电路以及两路光耦输出电路，其电路有滤除高频杂波的RC低通滤波器，有用于滤除高频杂波的LC滤波器和用于静电保护和防止输入信号反接的电路，有用于电路开启工作的开关控制电路，有原边级联的两路输出信号的光耦隔离电路，其电路光耦隔离电路副边具有一阶低通滤波电路。电路原边设置了两级滤波器、输入信号电压达到所设定的开启电压时电路才开始工作的功能，副边设置一阶低通滤波电路。其中输入的检测信号通过电阻（R1）、电容（C1）、电阻（R3）组成的RC低通滤波电路和电感（L1）、电容（C1）、电感（L2）组成的LC滤波器，通过用于静电保护和防止输入信号反接的电路与用于电路开启工作的开关控制电路的第一稳压管（Z1）相连，用于电路开启工作的开关控制电路的三极管（Q1）的基极通过上拉电阻（R2）与其集电极和第一稳压管（Z1）的阳极相连，还与第二稳压管（Z3）的阴极相连，其阳极通过LC滤波器和、RC滤波器与检测信号的地相连，三极管（Q1）的发射极通过电阻R5和电感（L3）与原边级电路开启工作的开关控制电路的三极管（Q1）的基极通过上拉电阻（R2）与其集电极和第一稳压管（Z1）的阳极相连，还与第二稳压管（Z3）的阴极相连，其阳极通过LC滤波器和、RC滤波器与检测信号的地相连，三极管（Q1）的发射极通过电阻R5和电感（L3）与原边级联的两路输出信号的光耦隔离电路相连，两路输出信号的光耦副边通过一阶低通滤波电路传输给CPU。

4 ?开启电压电路测试

针对开启电压的控制电路，在有效输入缓慢上升时，测试最小的开通电压与迟滞保持。在开启控制电路中，如图3红色有效信号所示，直到电压输入到Z1的门限电压，本电路才能正常开启，以此达到安全切断的功能。

5 ?验证其对干扰的抑制效果

由于扶梯变频器在正常工作时，受IGBT开关的影响，输出电流实际上为带着锯齿波形的高频电流，如图4所示。

由于在大功率扶梯变频器中，最大输出电流高达50A以上，并且在控制柜内布局的时候因为寄生电感的存在，根据电压公式U=L*di/dt，高频大电流将产生大的干扰电压。此干扰电压串扰进正常信号中，使产品误报故障或无法正常运行。实测时，发现干扰波形集中在250kHz的频率附件。所以滤波主要针对250kHz的干扰。

但是有效信号的最高频率为10kHz，考虑到冗余。滤波开始频率定为50kHz，最大值频率定为250kHz。

本电路中，滤波电路为无源RC一阶低通滤波电路，其传递函数为G（s）=1/（RCs+1）。

其衰减的计算方法为：Uo=Ui/[（2*π*F*R*C）^2+1]^0.5

通過理论计算，新的滤波电路对于250kHz的抑制效果最好，可达到92%的衰减。

对于50kHz以下的衰减较小。并且对于正常频率：10kHz，衰减小于10%。

实际对比测试如图5所示：测试结果与理论计算一致。

6 ?结束语

以上对输入开启电压可控和滤波的光耦隔离电路进行了详细介绍，电路增加多重滤波和提高了光耦开启电压的幅值，提高了检测信号的抗干扰性能，能够更有效的避免CPU出现误检测和误判断现象的出现。从而大幅提高扶梯在正常运行提高安全系数，极大的减少应为误动作所带来事故的发生。

参考文献：

[1]刘美俊.变频调速原理与应用状况[J].电工技术，2002（4）：28-29.

[2]朱士龙，朱嘉林，陈福彬.一种用于抑制共模信号的差分放大电路的研究[J].现代电子技术，2015，38（18）：110-112.

[3]赵金奎.共模干扰和差模干扰及其抑制技术[J].电子质量，2006（05）.

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