紅外對射管的隔離電路設(shè)計范文

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摘要:

現(xiàn)有礦用傳感器模塊化之間隔離通信常采用光耦實現(xiàn)隔離通信，針對光耦隔離具有器件體積較小空間隔離距離近、隔離后端易受隔離前端的電磁干擾等問題，提出基于紅外對射管隔離電路設(shè)計方案，設(shè)計的隔離電路采用不可見光進行通信，具有抗干擾強、隔離前后端互不影響、性能穩(wěn)定的優(yōu)點。詳細(xì)介紹了隔離電源設(shè)計、隔離電路設(shè)計;隔離電路參數(shù)，隔離電路設(shè)計方案在現(xiàn)有傳感器得到了較好的應(yīng)用和驗證，應(yīng)用結(jié)果表明隔離電路設(shè)計方案能夠滿足現(xiàn)有礦用傳感器的數(shù)字和頻率等信號的隔離要求。

關(guān)鍵詞:

光耦隔離;隔離通信;電磁干擾;紅外對射管;隔離電路

現(xiàn)有礦用傳感器大多數(shù)都是針對一些特殊的模擬信號進行信號采集，并對采集后的信號進行處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再將采集數(shù)字信號采用隔離器件進行隔離通信，將采集的結(jié)果用于顯示等［1－3］。對于常用的數(shù)字信號的隔離都是采用廉價的光電耦合便可以實現(xiàn)［4－6］，受限于現(xiàn)有光耦隔離器件體積小、隔離前端和后端相距空間距離較近，采集前的模擬信號(如電磁場)通過電磁干擾等方式會影響隔離后端［7－8］。針對此問題，采用紅外對射管增加隔離前端與后端距離，紅外對射管采用不可見光實現(xiàn)通信可減少EMC等干擾、將紅外對射管采用黑色套管的方式增加接收信號的強度、消除可見光的干擾，同時也可以采用灌封減少外部的未知干擾。

1隔離電源

為了保證隔離前端與隔離后端從根本上進行隔離，因此需要對隔離前端后隔離后端的電源進行隔離［3－5］。選擇的隔離電源芯片輸入為5V輸出也為5V，電源隔離轉(zhuǎn)換電路如圖1。圖1中U+IN為隔離前端輸入的正相電壓，U－IN為隔離前端輸入的負(fù)相電壓，U+OUT為隔離后輸出端的正相電壓，U－OUT為隔離后輸出端的負(fù)相電壓。隔離電源芯片采用DCH01050S，滿足輸入正相和負(fù)相之間電壓差為5V，輸出正相和負(fù)相之間電壓差為5V的隔離電源要求。

2隔離電路

2．1紅外對射管紅外對管是紅外線發(fā)射管與光敏接收管的統(tǒng)稱，其形狀如圖2。圖2中白色為紅外發(fā)射管是由紅外發(fā)光二極管組成發(fā)光體，用紅外輻射效率高的材料制成PN結(jié)，正向偏壓向PN結(jié)注入電流激發(fā)紅外光;圖2中黑色為紅外接收管是一個具有光敏特征的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕虼斯ぷ鲿r需加上反向電壓，無光照時，有很小的飽和反向漏電流，此時光敏管不導(dǎo)通。當(dāng)紅外光照時，飽和反向漏電流馬上增加，形成光電流，在一定的范圍內(nèi)它隨入射光強度的變化而增大。

2．2紅外對射管隔離電路采用紅外對射管設(shè)計的隔離電路如圖3，圖3中D2為紅外發(fā)射管，D1為紅外接收管，紅外發(fā)射管和紅外接收管之間的通信距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到8m。Sig_in為隔離前端的信號輸入，為數(shù)字信號;Sig_out為隔離后端的信號輸入，為數(shù)字信號。當(dāng)Sig_in輸入為高電平時，驅(qū)動三極管T1為PNP，此時三極管T1為截止?fàn)顟B(tài)，紅外發(fā)射管無電流流過不對外發(fā)光。當(dāng)Sig_in輸入為低電平時，三極管T1在U+IN和Sig_in作用下導(dǎo)通，U+IN、電阻R1、紅外發(fā)射管和U－IN構(gòu)成回路。電阻R1為限流電阻，防止紅外發(fā)射管因為電流過大損壞，同時可以控制紅外發(fā)射管發(fā)射光的強弱，電阻R1與紅外發(fā)射對管的通信距離成反比。

3隔離前后輸入輸出分析

隔離電路設(shè)計其參數(shù)選擇非常關(guān)鍵，電阻R1決定了紅外發(fā)射管信號強度，電阻R2，決定了T2工作狀態(tài)，電阻R3和R4的選取決定了T3工作狀態(tài)，紅外對射管之間的距離決定了隔離前后的距離。結(jié)構(gòu)設(shè)計時紅外對射管之間套用黑色的膠管或者其它管道防止其他非可見光的干擾，同時可以采用環(huán)氧樹脂進行灌封可顯著提高通信能力和抗干擾能力，隔離前后輸入和輸出信號如圖4，正常狀態(tài)時隔離信號輸入和輸出如圖4(a)。如果需要得到輸入和輸出極性相同的信號，則設(shè)計的電路如圖5，輸出信號如圖4(b)。

4結(jié)語

將基于紅外對射管的隔離電路應(yīng)用于傳感器模塊之間的通信，可以抑制大量的干擾信號，提高電路工作的穩(wěn)定性。隔離電路已在傳感器中得到應(yīng)用驗證，應(yīng)用結(jié)果表明，該方案設(shè)計合理，工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足現(xiàn)有礦用傳感器的數(shù)字和頻率等信號的隔離要求。

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作者：黃春 單位：中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶市礦山物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)工程技術(shù)研究中心