全光纤电流互感器光源控制

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1、全光纤电流互感器光源控制吴韬1，李晓2，方兵2，崔新友2（1.武汉邮电科学研究院，湖北武汉430074；2.武汉烽火富华电气有限责任公司，湖北武汉430074）摘要：随着智能电网建设的不断深入，全光纤电流互感器日益成为研究重点，其稳定性问题也逐渐受到人们关注。通过研究全光纤电流互感器中的光源稳定性问题，针对影响其稳定性的温度和驱动电流这2个主要因素设计了不同的解决方案。在温度控制方面，提出2种温控电路设计方案，最后根据实际需求采用数字式温控电路。在驱动电流控制方面，基于传统控制方案，设计了一种基于光源光功率调节驱动电流的方案，并对两者进行了实验

2、论证。实验结果表明新的方案提高了互感器光源的可靠性和稳定性。.jyqkp;Telemunications，为调制器调制信号。电气信号处理控制单元主要功能有探测干涉信号、解调电流信号、产生并控制调制器信号以及处理输出信号等[2]。光源处有专门的光源控制电路，通过互连排线实时地将光源各种状态信息传入信号处理控制单元，并上传至后端上位机方便监控和查看。2光源模块温度控制电路设计SLED模块光源对工作温度敏感，温度变化会引起发光功率变化和中心波长漂移，造成传输光信号不稳定，进而对传感性能产生较大的影响。因此稳定控制SLED模块的驱动电流以及管芯温度是至

3、关重要的[3]。在设计相关温度控制电路时，尝试了2种设计方案：（1）第一种是数字式控制电路，其基本原理如下：采用TI的DSP芯片作为电路的主控制单元，收集光源状态信息并根据状态来控制光源。利用SLED模块内部集成的热敏电阻作为温度传感器，将被控的环境温度信号转换为电压信号，然后将此电压信号与设定的目标温度所对应电压值进行对比，产生误差信号，其目标温度点可通过改变接入运放的标准电压值来进行设置，此信号经过后续积分放大，再通过一个脉宽调制线性放大器输出信号推动三极功率管，由此产生了一个闭环控制回路[4]，SLED模块温度过高时，TEC控制电路控制制

4、冷芯片加热，SLED模块温度过低时，TEC控制电路控制制冷芯片制冷，始终确保SLED模块工作在目标温度值下这个过程是不间断地进行着，此即为TEC部分的闭环控制模块，具体电路如图2所示。TEC控制电路产生的制冷电流控制信号IN+l由二极管电路进行保护，防止制冷/加热电流过大损害制冷芯片。制冷电流控制信号IN+l经TI的DRV系列驱动芯片转化为电流对制冷芯片进行驱动。该方案的优势在于能够实时上传光源状态信息，方便后续对光源进行相应的控制。（2）另一种设计方案为模拟式电路。相对于数字式而言，主要的区别在于没有数字芯片作为主控制单元，恒定的驱动电流源也

5、不再是由DSP芯片提供，而是交由标准电源芯片提供。另外不再采用TEC的闭环控制电路，而是将热敏电阻转换电压值经放大转换后直接与SLED模块的TEC管脚相连，省略了闭环反馈控制部分，做到了直接温度调控。这样做的好处是减少了回环过程中相关信号的时延，减少了温度反馈的滞后时间，从而能够实时控制光源光信号，使其保持稳定。但模拟式方案的缺陷在于没有主控制部分收集相关状态数据，因此该电路不能实时监测并上传光源信号的状态，从而不能及时排查系统运行过程中可能出现的问题。基于这些方面的考量，本系统最终选择数字式光源控制电路。3光源模块驱动电流控制由激光二极管相关

6、发光原理可知，在驱动电流和温度变化时，SLED的输出功率会发生变化。温控部分电路解决后，就需要控制光源驱动电流值。由光源技术手册可知，在恒温状态下，驱动电流的改变会影响到光功率从而影响后续的测量。在数字式光源温度控制电路的基础上，开始采用传统“恒流源?温控”方案，即给光源一个恒定驱动电流，其值大小由DSP自带D/A模块设定，本系统在DSP程序中设置值为100，即能得到100mA的工作电流。这样便能够保证光源恒流驱动，温度控制则交由前面章节所述的温控反馈调节电路来进行调控。该方案将易于控制的驱动电流保持恒定，将多变难以稳定温度通过相关控制电路进行

7、动态调控，从而保证光功率维持不变。在随后进行的相关实验中，发现此方案的确在一定程度上保证了光源的稳定性[3，5]。但之后在试验中模拟环境温度突变的极端环境时，发现SLED光源光功率恢复稳定的时间过长。后续进行对比实验后发现主要原因是集成的热敏电阻测得温度变化后，后面的反馈调节光源温度过程存在滞后效应，不能很快地将光源结温调回去，从而对互感器的快速校正有很大影响[6?7]。由光源技术手册中光功率和驱动电流曲线关系可知，当驱动电流超过20mA后，其与SLED光功率呈线性关系。因而后面在传统方案基础上，又重新构思了另外一种方案，即不管环境温度变化，根

8、据光源光功率值变化情况，通过实时控制调节DSP程序中设定的驱动电流值来促使光功率回归稳定。由于光源光功率无法通过电路元器件实时测量，因此在光源控制电路