WB121高速寬帶跟蹤型電量隔離傳感器原理及其應用

在各種自動檢測、控制系統中，常常需要對高速變化的交直流電流、電壓信號作跟蹤采集，對比較復雜的波形作頻譜分析。這類信號可能是高壓、大電流等強電，也可能是負載能力很差的弱電，或是幅值很小的信號。它們的一個共同特點是不宜直接與計算機類的系統相接，怕計算機干擾它，或是怕它干擾計算機，或是因信號太強、太弱，難于與計算機匹配。WB121高速寬帶跟蹤型電量隔離傳感器正是針對用戶的這種需求而設計的。本文將對該產品的性能及應用范圍作概略介紹。
　　WB121高速寬帶跟蹤型電量隔離傳感器采用線性光電隔離原理，對電網或電路中的交流、直流或交直流混合的電流、電壓信號進行實時測量，經隔離轉換成跟蹤輸入信號的、有一定驅動能力的、標準的輸出電壓信號。WB121具有交直流通用、高精度、高隔離、寬頻響、快響應時間、低漂移、低功耗、寬溫度范圍等特點；能直接與計算機、可編程控制器或其他數據采集器連接，用于各種快速反應波形的隔離跟蹤測量；特別是可以在模擬量的高速數據采集系統、變頻調速設備、可控硅控制設備及其他電氣設備中用作跟蹤測量。

工作原理
　　WB121電量隔離傳感器主要分為兩類，即WBV121電壓隔離傳感器和WBI121電流隔離傳感器。二者的工作原理，除輸入電路略有不同外，其他都相同，原理框圖如圖1所示。輸入電壓Vin(或電流Iin)信號送至輸入電路，后者將信號轉換成某種標準電壓，并賦予較強的驅動能力；光電隔離電路實現輸入信號的線性變換及隔離處理；輸出電路將信號進一步放大，同時實現整個傳感器的量程調節，輸出是跟蹤輸入信號、具有較強的驅動能力的標準化電壓，方便用戶使用。傳感器內部還配備了DC/DC轉換器，從輔助電源+E提取能量，供輸入電路使用。

主要技術指標
　　輸入規格：輸入電壓0～50mV到0～1000V；輸入電流0～1mA到0～5A；如外接分流器，輸入電流可高達上千安培。
　　輸出電壓：0～3.5V, 0～5V, 0～10V；
　　精度等級：0.2級；
　　溫度漂移：150×10-6/℃；
　　線性范圍：0～120%標稱輸入；
　　頻率響應：DC～30kHz，最高可達100kHz；
　　響應時間：15μs，最低可達4μs；
　　輸入阻抗：Ri＝Vi×10kΩ/V，當Vx＞1V時；Ri＞1MΩ，當Vx≤1V時；也可在整個輸入范圍實現高阻輸入；
　　過載能力：10倍標稱輸入值，持續5s；特制品也可承受長期輸入過載；
　　負載能力：5mA DC；
　　輔助電源：±12V；
　　靜態功耗：400mW；
　　隔離耐壓：＞1.5kV DC，1分鐘；
　　輸出紋波：＜5mV AC ；
　　環境溫度：0～+50℃；
　　外型尺寸：S型：99(寬)×63(高)×24(深)mm；E型：59(寬)×46(高)×21(深)mm；D型：32(寬)×23(高)×29(深)mm。

典型頻率特性
　　作為跟蹤型傳感器，其最重要的性能就是對輸入信號的快速響應，有很寬的通頻帶。
　　WB121典型特性如表1所示。其中方案3為標準型，方案1、方案2為特制型。其輸出幅頻特性和相頻特性如圖2、圖3所示。圖中，輸入為正弦波，Vgi為跟蹤電壓輸出有效值，Di為輸出電壓正弦波滯后輸入電壓正弦波的角度。Vgi0為輸入50Hz信號時的輸出電壓有效值。Vg1、D1,Vg2、D2及Vg3、D3分別對應方案1、2及3。注意，為方便用戶在較低頻率下的應用，兩圖中橫坐標標尺是不均勻的。
　　其中響應時間是輸入直流階躍信號，輸出電壓達到滿度輸出值的90%時的延遲時間。
　　輸出紋波是當輸入電壓為0時，輸出噪聲電壓有效值與滿度輸出電壓有效值之比。
　　表1

　　從圖2和圖3可見，在很寬的頻率范圍內，輸出電壓的幅度及相位都有很平坦的特性。這為用戶進一步分析信號波形提供了方便。

應用簡介
　　WB121高速寬帶跟蹤型電量隔離傳感器可以實時、準確地跟蹤測量任意波形的電流、電壓信號，將其隔離后輸出具有標準值的電壓信號。傳感器可用于晶閘管輸出的已嚴重失真的正弦波信號檢測，經脈寬調制處理的PWM波檢測，電力系統畸變波形檢測，功率設備中的高速閉環反饋控制等。傳感器實現了輸入信號和輸出信號的電隔離，其隔離絕緣電壓達1.5kV以上。因此，輸出信號與后續設備可直接連接。通常，后續設備可以是巡回檢測裝置、計算機控制系統、可編程控制器（PLC）及各種電力、電子控制設備等。
　　WB121的典型應用如圖4所示。傳感器與后續設備靠近，輸出端可接至設備的高速A/D等電路，信號由計算機等控制采樣、處理。
　　傳感器典型的傳遞函數可近似表達為K=Vg/X，或Vg=K·X
　　這里X表示輸入電量，可以是交流、直流或交直流混合的電流、電壓信號。Vg是有標準輸出量程的電壓量。一般地，K是一個與用戶要求有關的正常數，即輸出緊緊跟蹤輸入電量的變化。當輸入信號頻率高時，K不可再簡化為一個常數，而與輸入頻率有關，如圖2、圖3所示。

靈活應用
　　實現公式Vg=－K·X
　　這里K為正常數，即輸出量與輸入量正好反向。這只要將輸入信號的兩端反接即可。
　　實現公式Vg=K·X+A
　　這里K、A為正常數，即輸出量為在K·X的基礎上再向上平移A大小的電壓。例如，可將雙向直流電量轉換成單向直流電壓；將交流電量轉換成同樣波形的直流電壓。有的A/D轉換器僅允許單向輸入電壓信號，這種變換有利于直接與A/D轉換器相連。A值一般由用戶提出，生產廠實現。
　　實現公式Vg=－K·X+A
　　這里K、A為正常數，即輸出量為在－K·X的基礎上再向上平移A大小的電壓。舉例，有個用戶提出這樣的要求：輸入電壓X變化范圍是0～10V，要求輸出對應電壓是5～0V。從上式可見，只需取K=0.5和A=5V即可。
　　靈活運用方式還有一些，不再細述。一般地，上述公式中的參數K、A，由用戶提出，生產廠調校。如果用戶需要臨時對K、A作一些微調，也可打開傳感器上的窗口，按使用說明書要求調整。