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红外对射管的隔离电路设计

2016/02/16 阅读:

摘要:

现有矿用传感器模块化之间隔离通信常采用光耦实现隔离通信,针对光耦隔离具有器件体积较小空间隔离距离近、隔离后端易受隔离前端的电磁干扰等问题,提出基于红外对射管隔离电路设计方案,设计的隔离电路采用不可见光进行通信,具有抗干扰强、隔离前后端互不影响、性能稳定的优点。详细介绍了隔离电源设计、隔离电路设计;隔离电路参数,隔离电路设计方案在现有传感器得到了较好的应用和验证,应用结果表明隔离电路设计方案能够满足现有矿用传感器的数字和频率等信号的隔离要求。

关键词:

光耦隔离;隔离通信;电磁干扰;红外对射管;隔离电路

现有矿用传感器大多数都是针对一些特殊的模拟信号进行信号采集,并对采集后的信号进行处理转换为数字信号,再将采集数字信号采用隔离器件进行隔离通信,将采集的结果用于显示等[1-3]。对于常用的数字信号的隔离都是采用廉价的光电耦合便可以实现[4-6],受限于现有光耦隔离器件体积小、隔离前端和后端相距空间距离较近,采集前的模拟信号(如电磁场)通过电磁干扰等方式会影响隔离后端[7-8]。针对此问题,采用红外对射管增加隔离前端与后端距离,红外对射管采用不可见光实现通信可减少EMC等干扰、将红外对射管采用黑色套管的方式增加接收信号的强度、消除可见光的干扰,同时也可以采用灌封减少外部的未知干扰。

1隔离电源

为了保证隔离前端与隔离后端从根本上进行隔离,因此需要对隔离前端后隔离后端的电源进行隔离[3-5]。选择的隔离电源芯片输入为5V输出也为5V,电源隔离转换电路如图1。图1中U+IN为隔离前端输入的正相电压,U-IN为隔离前端输入的负相电压,U+OUT为隔离后输出端的正相电压,U-OUT为隔离后输出端的负相电压。隔离电源芯片采用DCH01050S,满足输入正相和负相之间电压差为5V,输出正相和负相之间电压差为5V的隔离电源要求。

2隔离电路

2.1红外对射管红外对管是红外线发射管与光敏接收管的统称,其形状如图2。图2中白色为红外发射管是由红外发光二极管组成发光体,用红外辐射效率高的材料制成PN结,正向偏压向PN结注入电流激发红外光;图2中黑色为红外接收管是一个具有光敏特征的PN结具有单向导电性,因此工作时需加上反向电压,无光照时,有很小的饱和反向漏电流,此时光敏管不导通。当红外光照时,饱和反向漏电流马上增加,形成光电流,在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大。

2.2红外对射管隔离电路采用红外对射管设计的隔离电路如图3,图3中D2为红外发射管,D1为红外接收管,红外发射管和红外接收管之间的通信距离最远可以达到8m。Sig_in为隔离前端的信号输入,为数字信号;Sig_out为隔离后端的信号输入,为数字信号。当Sig_in输入为高电平时,驱动三极管T1为PNP,此时三极管T1为截止状态,红外发射管无电流流过不对外发光。当Sig_in输入为低电平时,三极管T1在U+IN和Sig_in作用下导通,U+IN、电阻R1、红外发射管和U-IN构成回路。电阻R1为限流电阻,防止红外发射管因为电流过大损坏,同时可以控制红外发射管发射光的强弱,电阻R1与红外发射对管的通信距离成反比。

3隔离前后输入输出分析

隔离电路设计其参数选择非常关键,电阻R1决定了红外发射管信号强度,电阻R2,决定了T2工作状态,电阻R3和R4的选取决定了T3工作状态,红外对射管之间的距离决定了隔离前后的距离。结构设计时红外对射管之间套用黑色的胶管或者其它管道防止其他非可见光的干扰,同时可以采用环氧树脂进行灌封可显著提高通信能力和抗干扰能力,隔离前后输入和输出信号如图4,正常状态时隔离信号输入和输出如图4(a)。如果需要得到输入和输出极性相同的信号,则设计的电路如图5,输出信号如图4(b)。

4结语

将基于红外对射管的隔离电路应用于传感器模块之间的通信,可以抑制大量的干扰信号,提高电路工作的稳定性。隔离电路已在传感器中得到应用验证,应用结果表明,该方案设计合理,工作稳定可靠,能够满足现有矿用传感器的数字和频率等信号的隔离要求。

参考文献:

[1]张立军,黄扬明.几种模拟信号隔离器件实测性能比较[J].仪表技术,2013(12).

[2]于进杰,肖献保,魏霞.信号的精确隔离[J].科技资讯,2008(24).

[3]钱舒林,王学武.矿用隔爆兼本安型计算机信号隔离器设计[J].工矿自动化,2012(4).

[4]田野,桂欣,李一兵.基于ADUM540x隔离通信电路的设计与实现[J].哈尔滨商业大学学报(自然科学版),2009,25(5).

[5]温习,阎永禄.典型信号隔离电路设计[J].自动化技术,2011,32(8).

[6]朱灿焰.一种简单实用的模拟信号隔离电路[J].华东交通大学学报,1996,13(4).

[7]吕勇军.数据采集系统中的隔离技术[J].国外电子测量技术,2003(S1):68-69.

[8]张义忠.高速宽带线性模拟信号隔离器的研究[D].西安:西安电子科技大学,2007.

作者:黄春 单位:中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆市矿山物联网关键技术工程技术研究中心

红外对射管的隔离电路设计

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