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CN107407701A - 用于高阻抗电压传感器的虚地感测电路 - Google Patents

用于高阻抗电压传感器的虚地感测电路 Download PDF

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CN107407701A CN201680019189.6A CN201680019189A CN107407701A CN 107407701 A CN107407701 A CN 107407701A CN 201680019189 A CN201680019189 A CN 201680019189A CN 107407701 A CN107407701 A CN 107407701A
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Abstract

本申请提供一种电压感测电路,所述电压感测电路包括:放大器(12),所述放大器(12)具有第一输入(16)和放大器输出,所述第一输入耦连至包括虚地的节点(20);以及第一阻抗元件(8,30),所述第一阻抗元件(8,30)具有被结构化为耦连至所述导体的输入和通过所述节点耦连至所述放大器的第一输入的输出。所述第一阻抗元件被结构化为响应于所述导体的电压提供至所述第一阻抗元件的输入,使电流信号通过所述节点提供至所述放大器的第一输入,所述电流信号具有与所述导体上的电压成正比的电流和基本为零伏的电压。所述放大器被结构化为使输出电压在所述放大器输出处提供,所述输出电压与所述电流信号的电流成正比。

Description

用于高阻抗电压传感器的虚地感测电路
相关申请交叉引用
根据35U.S.C.§119(e),本申请要求于2015年4月1日申请的名称为“VIRTUALGROUND SENSING CIRCUIT FOR HIGH IMPEDANCE VOLTAGE SENSORS”的美国临时专利申请序号62/141,584的优先权,其通过引用被并入本文中。
技术领域
公开的构思一般涉及电压感测装置,并且更具体地涉及用于使用虚地感测电路测量电压的高阻抗电压感测装置。
背景技术
测量例如在配电系统中位于远端位置的AC电压可能产生显著的误差,特别是在使用高阻抗电压传感器时。具体地,当使用电缆传输信号时,电缆的电容可能导致错误的测量值。如果使用屏蔽电缆(通常是这种情况),则信号线与屏蔽间的电容和高阻抗传感器形成分压器,分压器产生显著的信号衰减。此外,如果电压传感器是电阻性的,则电容性电抗还在信号中引入显著的相移。如果电缆中有其它导体,则除了产生衰减和相移之外,还会有串扰。衰减、相移和串扰都是电缆电容的函数,其随着电缆长度而增加,因电缆类型而不同。而且,在给定的多导体电缆内的线与线间的电容不同,原因是电缆中的所有导体之间的距离不同。例如,考虑在一条28个导体的圆形电缆中,中间导体相互邻近,使得线与线间的电容会相对较高,而中心与外导体间隔较远,使得线与线间的电容较低。而且,导体之间的AC电压差会导致较高的电容性电流在具有较高电容的导体之间流动。这些不经意的电容性电流产生测量误差。位于其它两个导体之间的导体往往还将这些导体相互屏蔽。如果导体之间的对地阻抗不同,这种情况被进一步复杂化。也就是说,在给定电缆中的所有导体可能并不都连接至高阻抗电压传感器。而是,在多用途电缆中,很可能是其它的电源线和信号线具有低AC对地阻抗。这会使分析复杂化,使得几乎不可能计算和补偿测量误差。
除了寄生电容的负面影响之外,由于连接器中的湿气,来自高阻抗传感器的信号还对泄露电流敏感。在户外应用中,连接器常常暴露于高湿度和变化的温度,这导致连接器中的冷凝。在安装期间,大多数连接器并不提供气密密封,一些连接器直接暴露于雨水,最终渗露。在高压(例如38kV)应用中,电压传感器通常是电阻分压器,其由连接至100k欧姆低压臂(lowarm)电阻器的200M欧姆高压电阻器组成。要引入1%的误差,湿气仅需要将连接器系统的表面绝缘电阻降低至小于10M欧姆。实践中,这种情况常常出现。在最近的实验室试验中,连接器曾被放置在水下,信号下降到其原始值的2.5%。
另一误差源来自在电缆的两侧上通常需要的电压钳制装置。在传感器侧,可能需要TVS(暂态电压抑制器)、MOV(金属氧化物变阻器)或齐纳二极管以防止在控制电缆断开并且低压臂电阻器不存在的情况下电压上升得太高。这些装置都具有寄生电容,寄生电容导致泄露电流,使信号衰减并引入相移。电容将随温度变化,这在该零件的数据手册中通常是不说明的。在电缆的另一端,感测电路还会包含这些装置之一。在这种情况下,电压钳制用于敏感的电子电路的浪涌保护。
而且,要在某距离(例如20至120英尺)上传输低电平信号时,设计者为最小化误差而做的第一件事就是规定使用屏蔽电缆。另一种技术就是使用双绞线。还有一种方法是使用个别屏蔽的导体或同轴电缆。所有这些替代方法增大了电容,并且可能使情况更加糟糕。
发明内容
在一个实施例中,提供了一种用于测量导体上的电压的电压感测电路。所述电压感测电路包括具有第一输入和放大器输出的放大器,所述第一输入耦连至包括虚地的节点。电压感测电路还包括第一阻抗元件,所述第一阻抗元件具有被结构化为耦连至所述导体的输入和通过所述节点耦连至所述放大器的第一输入的输出,其中,所述第一阻抗元件被结构化为响应于所述导体的电压提供至所述第一阻抗元件的输入,使电流信号通过所述节点提供至所述放大器的第一输入,所述电流信号具有与所述导体上的电压成正比的电流和基本为零伏的电压,并且其中,所述放大器被结构化为使输出电压在所述放大器输出处提供,所述输出电压与所述电流信号的电流成正比。
在另一实施例中,提供了一种测量电压的方法,包括接收所述电压;响应于接收所述电压,产生电流信号,所述电流信号具有与所述电压成正比的电流和基本为零伏的电压;以及产生与所述电流信号的电流成正比的输出电压,其中,所述输出电压用来测量所述电压。
附图说明
结合附图阅读对优选实施例的以下描述时,可以从中获得对公开的构思的完全理解,附图中:
图1、2和3是根据公开的构思的三个示例性实施例的电压感测电路的示意电路图。
具体实施方式
本文中使用的方向性用语,比方说例如左、右、前、后、上、下和其派生词与图中所示的元件的方位有关,不是对权利要求进行限制,除非其中有明确表示。
术语“许多个”在本文中使用时意思是1或大于1的整数(即多个)。
两个或更多个零件“耦连”在一起的表述在本文中使用时意思是这些零件或者直接地或者通过一个或多个中间零件接合在一起。
术语“虚地(virtual ground)”在本文中使用时意思是不直接连接至地而是通过有源电路的作用被保持在地电势的节点。
术语“基本为零伏”在本文中使用时意思是250mV峰值或更小的电压电平。
术语“高阻抗”在本文中使用时意思是1MΩ或更大的阻抗。
术语“高压”在本文中使用时意思是1000VAC或更大的电压电平。
术语“阻抗元件”在本文中使用时意思是一个或多个高阻抗电阻器、一个或多个电容性元件或其任意组合。
图1是根据公开的构思的一个示例性实施例的电压感测电路2的示意电路图。在该示例性实施例中,电压感测电路2用于感测例如配电系统的高压导体4(诸如高压母线)上的高压(HV)。电压感测电路2提供输出电压6,输出电压6可以被提供至可利用输出电压6的许多个电路中的任意一个。例如,输出电压6可以被提供至带A/D转换器的微控制器,A/D转换器将输出电压6转换成数字格式。一旦输出电压6以数字格式表示,则其可以只是被显示,或者其可以在某种形式的保护方案中使用。
在图1中可见,电压感测电路2还包括高压臂(high arm)电阻器8、电缆10、具有非反相输入14和反相输入16的运算放大器(op-amp)12和反馈电阻器18。高压臂电阻器8包括耦连至高压导体4的第一端和耦连至电缆10的输入端的第二端。在示例性实施例中,高压臂电阻器是高阻抗电阻器,其具有至少1MΩ的阻抗。电缆10的输出端在节点20处耦连至op-amp 12的反相输入16。op-amp 12的非反相输入14直接连接至地。反馈电阻器18包括耦连至节点20的第一端和耦连至op-amp 12的输出22的第二端。反馈电阻器18形成op-amp 12的负反馈回路,这使得非反相输入14和反相输入16处于相同电势。于是,因为非反相输入14附连到地,所以反相输入16也会保持在地电势。结果,节点20形成用于电压感测电路2的虚地。在一个具体的非限制示例性实施例中,高压臂电阻器8是200MΩ电阻器,反馈电阻器是6.2kΩ电阻器。
运行中,高压信号从高压导体4提供至高压臂电阻器8。由于高压臂电阻器的第二端耦连至节点20的虚地,所以在电缆10上产生低电流信号(例如100微安的数量级),该电流信号与提供至高压臂电阻器8的高压信号的电压成正比(即高压信号由高压臂电阻器8转换成低电流信号)。因为高压臂电阻器8是高阻抗电阻器,所以低电流信号将具有基本为零伏的电压。低电流、基本为零伏的信号从电缆10提供至op-amp 12的反相输入16。响应于接收该低电流、基本为零伏的信号,具有如上面描述的负反馈回路的op-amp 12将在输出22上输出输出电压6,输出电压6具有可测量的(基本上不为零伏)的电压,该电压与提供至反相输入16的低电流、基本为零伏的信号的电流成正比(即op-amp 12将接收的低电流信号转换成电压信号)。因此,如刚描述的电压感测电路2产生与高压导体4上的高压信号的电压成正比的输出电压6。此外,由于节点20保持在地电势,在电缆10上传输的信号是基本为零伏的信号,所以实际上所有的电容性和电阻性泄露电流以及与其有关的误差将从电压感测电路2中消除。
在op-amp 12的输入处没有串联电阻的一个后果是op-amp 12易于受到浪涌破坏。在常规的电压感测电路中,正常的浪涌保护方案就是在于其上提供电压感测电路的电路板的输入连接处设置电压钳制装置,并使用下面的串联电阻器以将电流限制到某个非常小的可处理值。正常的钳制电压设置得足够高,使得其不会干扰感兴趣的最高信号水平。然而,由于公开的构思的电压感测电路2中的输入电阻是零,所以超过op-amp 12的电源轨大于二极管压降的任何电压浪涌会使op-amp 12的内部保护二极管处理该浪涌。这些二极管不是非常鲁棒,在类似涉及雷电放电的那些的高浪涌电流应用中不能胜任。
因此,根据公开的构思的另一方面,根据解决这些问题的替代性示例性实施例,提供图2中所示的替代性电压感测电路2’。如图2中可见,替代性电压感测电路2’包括与电压感测电路2相同的许多部件,相同的部件标以相同的附图标记。不过,电压感测电路2’还包括在op-amp 12的反相输入16和浪涌接地之间提供的浪涌保护模块24。在示例性实施例中,浪涌保护模块24包括以反并联配置连接至浪涌接地的大结型二极管26、28。这会使任一极性的浪涌钳制在地电势的正向二极管压降之内,并且会防止op-amp 12的保护二极管导通。在一个非限制性示例性实施例中,每个大结型二极管26、28可以是具有5W稳态功率额定值和1500W峰值功率额定值的TVS(暂态电压抑制器)。浪涌保护二极管不会干扰正常操作,原因是在正常操作期间,输入电压保持为零,因此没有电流通过浪涌保护二极管流动。不过,在浪涌事件中,由于op-amp的速度和输出电压限制,op-amp电路不能使输入电压保持为零。
而且,本文中公开的构思还可以与电容性传感器结合使用。因此,根据公开的构思的另一方面,还提供图3中所示的电压感测电路2”。电压感测电路2”类似于电压感测电路2和2’,相同的部件标以相同的附图标记。不过,在电压感测电路2”中,用电容器元件30代替高压臂电阻器8,增加与反馈电阻器18并联的电容器元件32。替代性地,电压感测电路2”可以只使用反馈电阻器18形成其反馈回路。电压感测电路2”的操作类似于电压感测电路2和2’的操作,其中低电流、基本为零伏的信号提供至op-amp 12的反相输入16,在op-amp 12的输出22处产生与高压导体4上的高压信号的电压成正比的输出电压6。在此实施例中,由于来自传感器的电容性电流与频率成比例,所以需要频率补偿。这可以通过在下一级的模拟或数字滤波器实现。在反馈电路中使用电容器元件32的一个优点是它会自动地提供频率补偿。
在图3的实施例中,电容器元件30可能是独立的部件,其一个端子物理连接至高压导体4,另一端子连接至电缆10。电容器元件30还可能由两个或更多个零件组成,这些零件在设置得相互非常接近时形成一个电容器,原因是电容器只是由绝缘体隔开的两个导电表面。导电表面之一可能是已经是一套开关设备的一部分的铜棒。只增加与铜棒保持固定距离的一个导电环就产生电容器,其可用作电容器元件30。还可以由几个部件构成电容器元件30。
尽管图1-3中所示的电压感测电路2、2’和2”的示例性实施例都使用形式为op-amp12的放大器,但要理解在公开的构思的范围内该放大器可以采用其它形式。例如,可以使用离散元件,诸如晶体管、电阻器、二极管和电容器来构造该放大器。替代性地,真空管技术也可以用来构造该放大器。可以使用集成部件和离散部件的组合形成可用来实现公开的构思的放大器。
尽管已经详细地描述了公开的构思的特定实施例,但本领域技术人员会认识到根据本公开的总体教导可以对这些细节发展出各种修改和替代。因此,公开的特定布置旨在只是示意性的,不是对公开的构思的范围的限制,公开的构思的范围被赋予所附权利要求以及其任何和所有等同物的全部广度。

Claims (14)

1.一种用于测量导体上的电压的电压感测电路(2,2’,2”),包括:
放大器(12),所述放大器(12)具有第一输入(16)和放大器输出,所述第一输入耦连至包括虚地的节点(20);以及
第一阻抗元件(8,30),所述第一阻抗元件(8,30)具有被结构化为耦连至所述导体的输入和通过所述节点耦连至所述放大器的第一输入的输出,其中,所述第一阻抗元件被结构化为响应于所述导体的电压提供至所述第一阻抗元件的输入,使电流信号通过所述节点提供至所述放大器的第一输入,所述电流信号具有与所述导体上的电压成正比的电流和基本为零伏的电压,并且其中,所述放大器被结构化为使输出电压在所述放大器输出处提供,所述输出电压与所述电流信号的电流成正比。
2.根据权利要求1所述的电压感测电路,其中,所述放大器是运算放大器,其中,所述第一输入是反相输入,其中,所述放大器包括为非反相输入的第二输入(14),其中,所述第二输入直接连接至地,并且其中,所述电压感测电路还包括在所述放大器输出和所述节点之间提供的反馈阻抗元件(18,32)。
3.根据权利要求2所述的电压感测电路,其中,所述第一阻抗元件包括高阻抗电阻器(8),并且所述反馈阻抗元件包括反馈电阻器(18)。
4.根据权利要求1所述的电压感测电路,其中,所述第一阻抗元件包括电容器元件(30),并且所述反馈阻抗元件包括反馈电容器(32)、反馈电阻器(18)或反馈电阻器(18)和反馈电容器(32)的组合。
5.根据权利要求2所述的电压感测电路,还包括在所述反相输入和浪涌接地之间提供的浪涌保护模块(24)。
6.根据权利要求5所述的电压感测电路,其中,所述浪涌保护模块包括以反并联配置连接的第一大结型二极管(26)和第二大结型二极管(28)。
7.根据权利要求1所述的电压感测电路,其中,所述导体是高压导体,并且其中,所述电压是高电压。
8.一种测量电压的方法,包括:
接收所述电压;
响应于接收所述电压,产生电流信号,所述电流信号具有与所述电压成正比的电流和基本为零伏的电压;以及
产生与所述电流信号的电流成正比的输出电压,其中,所述输出电压用来测量所述电压。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,所述产生电流信号包括将所述电压提供至第一阻抗元件(8,30)的输入侧,其中,所述第一阻抗元件的输出侧耦连至虚地(20),并且其中,在所述第一阻抗元件的输出侧处提供所述电流信号。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,所述第一阻抗元件包括高阻抗电阻器(8)。
11.根据权利要求9所述的方法,其中,所述第一阻抗元件包括电容器元件(30)。
12.根据权利要求8所述的方法,其中,所述产生输出电压包括在放大器(12)的输入处接收所述电流信号,其中,所述放大器的输入耦连至包括虚地的节点(20),并且在所述放大器的输出(22)处提供所述输出电压。
13.根据权利要求12所述的方法,还包括使用在所述节点和所述放大器的输出之间提供的负反馈电路产生所述虚地。
14.根据权利要求13所述的方法,其中,所述放大器是运算放大器。
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