杜刚，余冰冰，王威
（成都新欣神风电子科技有限公司，成都 611731）
近年来，电压传感器产品需求不断提升，应用市场不断扩大，其广泛应用于航空、航天、通信、仪表、冶金及铁路等军品、民品领域。在实际应用场景中，电压传感器需要具备良好的精度及线性度、高可靠性、低功耗、检测电压与输出信号高度隔离、维修更换方便等优点，目前主流电压传感器产品检测电压主要是千伏以下，检测电压高达数千伏甚至数十千伏的高压交流传感器产品较少[1]。
本文基于目前高压交流传感器的现状，设计这一应用简单、成本低、体积小的电路，用于检测高达数千伏的高压交流电压信号并隔离输出。
本方案使用隔离互感线圈、电阻、电容、集成电路芯片等常规元件，通过对高压交流电压的限流、隔离、采样、AC/DC 转换以及运算放大输出，即实现高压交流电压信号至不同电压/电流信号的隔离输出。
高压交流电压传感器原理框图如图1 所示，该电路由输入限流电阻R1 与R2、隔离耦合线圈T1、采样电阻Rs、AC/DC 转换电路、运算放大电路以及变送电路组成。
图1 高压交流电压传感器原理框图
传感器正常工作时，待测信号交流输入电压Vac 经限流电阻R1 转换成交流电流Iin，交流电流Iin 作为隔离耦合线圈T1 的原边电流信号，经过线圈耦合至副边，副边交流信号经采样电阻Rs 采样转换为小信号交流电压Vs，交流电压Vs 经AC/DC 转换电路变换为直流电压Vdc，该直流电压Vdc 经过运算放大后可以直接输出一个直流电压Vout，也可以经过电压/电流变送电路输出一个直流电流Iout。AC/DC 转换电路、运算放大电路及电压/电流变送电路由外加电源供电，可以根据需要选择单电压或正负电压供电，如±15 V、±12 V 或+15 V 等。
1.1 高压转换功能的实现
本文的设计方案可检测数千伏的高压交流电，实现这一功能的首要前提是将待测高压交流电信号转换为低压交流电，同时确保高压交流电与低压交流电隔离，以保证后级电路能正常稳定输出[2]。
高压转换功能通过线圈耦合的方式实现，其原理图如图2。
图2 耦合电路图
输入高压交流电Vac，经过限流电阻R1 将其转换为电流信号Iin，原边电流Iin 在经由隔离耦合线圈T1耦合至副边，经采样电阻Rs 采样转换为小信号交流电Vs。在检测高压交流电压信号时，限流电阻R1 取值需要足够大，此时耦合线圈的内阻远远小于限流电阻阻值，因此线圈内阻可忽略不计。故原边电流可以计算为：
副边采样电阻两端电压可以表示为：
式中：
N—耦合线圈原副边匝比；
Vs—副边耦合交流电压有效值[3]。
隔离耦合线圈T1 由闭合的硅钢磁芯和两组绕组组成。其中一次侧绕组匝数很少，串在待测量电流Iin 的线路中。两组绕组之间物理隔离，以提高传感器耐压性能，实现高压交流电与低压交流电之间相互隔离。
1.1.1 限流设计
设计限流电阻R1 时应根据实际检测的交流电压及需要转换的交流电流选择限流电阻阻值，同时需要计算限流电阻的最大功率损耗，若其最大功率损耗超出单个限流电阻最大功耗值，应在电路中串联多个限流电阻以保证设计安全可靠性[4]。
假设使用M 个相同阻值为R 的限流电阻串联，则最大输入电流为：
则单个电阻的最大功耗为：
单个电阻的最大功耗不能超过其允许最大功耗，并且需要预留部分余量，即降额使用。
1.1.2 耦合线圈设计
隔离耦合线圈T1 可根据实际转换的交流电流Iac及需要的采样电压Vs 确定匝比。同时应根据高压传感器的精度选择隔离耦合线圈原副边的匝数，根据流经电流的大小选择合适的绕线线径。同时应根据传感器产品的绝缘耐压要求选择隔离耦合线圈的尺寸及原副边线圈的绝缘距离，以保证传感器产品高压工作环境下的安全问题。
假设隔离耦合线圈的原副边匝比为N，则副边采样电阻两端电压可以表达为：
该采样电阻的功率损耗为：
应当根据上两式选取合适匝比N 及采样电阻RS，使得采样电阻两端电压不能超过后级AC/DC 变换电路的最大输入电压，且采样电阻的功率损耗不能超过其允许最大功耗，且均预留部分余量。
1.2 AC/DC 变换电路
Vs 作为小信号交流电压信号，需将其经AC/DC 转换为直流电压信号，为此设计一级AC/DC 变换电路，其原理图如图所示。
AC/DC 变换电路主要功能是实现真有效值均方根转换，即：
经转换后实现输出直流电压Vdc，如AD736 等，其原理图如图3 所示[5]。Vs 为交流电压有效值，Vdc 为经过绝对值变换后的直流电压，且Vdc=Vs。
图3 AC/DC 变换电路
1.2 运算放大电路
在实际应用过程中，绝对值输出直流电压Vdc 若不能满足需求，可以经过一级运算放大电路放大输出，运算放大电路如图4 所示。在应用过程中，集成运放存在几十至几百nA 偏置电流，输入失调电流几nA 至几十nA，反馈电阻R10、R11 会引入失调电压。在电路中增设平衡电阻R8，使集成运放两输入端的对地直流电阻相等，使运放的偏置电流不产生附加的失调电压[6]。经运算放大电路后的电压Vout 可以表示为：
图4 运算放大电路
式中：
A—运算放大电路的放大倍数，且A=（R9+R10+R11）/R9。
1.3 变送电路
若需要输出电压信号，运算放大电路输出的电压信号可通过调节放大倍数A 直接作为传感器输出；
若需要输出电流信号，运算放大电路输出电压Vout也可以经过电压/电流变送电路转换成电流。
电压/电流变送电路可采用单片电压&电流转换器，外围电路简单，功能较强，如图5 所示。使用时不接或只接很少的外部元件，能够实现将输入电压转换为标准的电流信号，输入电压范围可达（0 ～2）V，同时将其线性变送为（4 ～20）mA 电流Iout[7]。
图5 变送电路
基于本文电路方案设计的（0 ～4 500）Vac 交流隔离传感器，经限流电阻转化为（0 ～1）mA 交流电流，经1 ∶1 匝比隔离耦合线圈及100 Ω 采样电阻转化为（0 ～100）mV 有效值的交流电压，经真有效值AC/DC 变换电路及运算放大电路产生一个（0 ～2）V的直流输出电压，该电压经电压/电流变送电路后输出（4 ～20）mA 的直流电流。测试结果如表1 所示。
表1 测试数据表
由结果可以看出，该高压交流传感器的精度及线性度均小于1 %，且使用的元器件中没有随温度变化较大的器件，故其温度性能亦很好。
本文对隔离高压交流传感器的设计方法进行了介绍，利用互感线圈隔离耦合的原理，实现将高压交流电压隔离转换为低压交流信号，利用AC/DC 转换和运算放大功能将低压交流信号转换为需要的直流电压信号，同时可以利用变送电路线性转换为直流小电流信号输出。
该设计方法能够实现数千伏交流电压的隔离测量，同时具备高精度、高线性度等特点，可靠性高，可广泛应用于电力输送、工业加工、铁路、通信、汽车等行业[8]。
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