光電耦合器的應用

1、光電耦合器的應用來源：雄鷹的空中加油站相關連接：光藕應用大全光電耦合器具有體積小、使用壽命長、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強無觸點且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點，因而在各種電子設備上得到廣泛的應用光電耦合器可用于隔離電路、負載接口及各種家用電器等電路中下面介紹最常見的應用電路 1.組成開關電路 圖1電路中，當輸入信號ui為低電平時，晶體管v1處于截止狀態(tài)，光電耦合器b1中發(fā)光二極管的電流近似為零，輸出端q11、q12間的電阻很大，相當于開關“斷開”；當ui為高電平時，v1導通，b1中發(fā)光二極管發(fā)光，q11、q12間的電阻變小，相當于開關“接通”該電路因ui為低電平時，開關不通，故為高電平導通

2、狀態(tài)同理，圖2電路中，因無信號(ui為低電平)時，開關導通，故為低電平導通狀態(tài) 2組成邏輯電路 圖3電路為“與門”邏輯電路。其邏輯表達式為p=ab.圖中兩只光敏管串聯，只有當輸入邏輯電平a=1、b=1時，輸出p=1同理，還可以組成“或門”、“與非門”、“或非門”等邏輯電路 3組成隔離耦合電路 電路如圖4所示這是一個典型的交流耦合放大電路適當選取發(fā)光回路限流電阻rl，使b4的電流傳輸比為一常數，即可保證該電路的線性放大作用。 4組成高壓穩(wěn)壓電路 電略如圖5所示驅動管需采用耐壓較高的晶體管(圖中驅動管為3dg27)。當輸出電壓增大時，v55的偏壓增加，b5中發(fā)光二極管的正向電流增大，使光敏管極間電

3、壓減小，調整管be結偏壓降低而內阻增大，使輸出電壓降低，而保持輸出電壓的穩(wěn)定 5.組成門廳照明燈自動控制電路 電路如圖6所示。a是四組模擬電子開關（s1s4）：s1，s2，s3并聯（可增加驅動功率及抗干擾能力）用于延時電路，當其接通電源后經r4，b6驅動雙向可控硅vt，vt直接控制門廳照明燈h；s4與外接光敏電阻rl等構成環(huán)境光線檢測電路。當門關閉時，安裝在門框上的常閉型干簧管kd受到門上磁鐵作用，其觸點斷開，s1，s2，s3處于數據開狀態(tài)。晚間主人回家打開門，磁鐵遠離kd，kd觸點閉合。此時9v電源整流后經r1向c1充電，c1兩端電壓很快上升到9v，整流電壓經s1，s2，s3和r4使b6內發(fā)

4、光管發(fā)光從而觸發(fā)雙向可控硅導通，vt亦導通，h點亮，實現自動照明控制作用。房門關閉后，磁鐵控制kd，觸點斷開，9v電源停止對c1充電，電路進入延時狀態(tài)。c1開始對r3放電，經一段時間延遲后，c1兩端電壓逐漸下降到s1，s2，s3的開啟電壓（1.5v)以下，s1，s2，s3恢復斷開狀態(tài)，導致b6截止，vt亦截止，h熄來，實現延時關燈功能。如果你的芯是一座作坊，我愿做那不知疲倦的線性光耦在電流采樣中的應用作者：李海波，林輝摘 要：介紹新型精密線性光耦器件hcnr200的工作原理，給出兩種用hcnr200和運算放大器實現的檢測電機電流的隔離傳輸電路，并推導出其外圍電阻的計算方法。 關鍵詞：線性光耦；

5、線性隔離；模擬信號；應用 1 引言 在現代電氣測量和控制中，常常需要用低壓器件去測量、控制高電壓、強電流等模擬量，如果模擬量與數字量之間沒有電氣隔離，那么，高電壓、強電流很容易串入低壓器件，并將其燒毀。線性光耦hcnr200可以較好地實現模擬量與數字量之間的隔離，隔離電壓峰值達8000v；輸出跟隨輸入變化，線性度達0.01。 2 hcnr200/201簡介 hcnr200型線性光耦的原理如圖1所示。它由發(fā)光二極管d1、反饋光電二極管d2、輸出光電二極管d3組成。當d1通過驅動電流if時,發(fā)出紅外光(伺服光通量)。該光分別照射在d2、d3上,反饋光電二極管吸收d2光通量的一部分,從而產生控制電流

6、i1(i1=0.005if)。該電流用來調節(jié)if以補償d1的非線性。輸出光電二極管d3產生的輸出電流i2與d1發(fā)出的伺服光通量成線性比例。令伺服電流增益k1=i1/if，正向增益k2=i2/if，則傳輸增益k3=k2/k1=i2/i1,k3的典型值為1。 3 電流檢測電路 3.1 光電導模式下的電流檢測電路設計 hcnr200工作在光電導模式下的檢測電流電路如圖2所示，信號為正極性輸入，正極性輸出。隔離電路中,r1調節(jié)初級運算放大器的輸入偏置電流的大小,c1起反饋作用,同時濾除了電路中的毛刺信號,避免hcnr200中的鋁砷化鎵發(fā)光二極管(led)受到意外的沖擊。但是，隨著頻率的提高,阻抗將變小

7、,hcnr200的初級電流增大,增益隨之變大,因而，c1的引入對通道在高頻時的增益有一定影響,雖然減小c1的值可以拓展帶寬,但是，會影響初級運算放大器的增益,同時,初級運算放大器輸出的較大毛刺信號不易被濾除。r3可以控制led的發(fā)光強度,對控制通道增益起一定作用。3.2 光電壓模式下的電流檢測電路設計 hcnr200工作在光電壓模式下的檢測電流電路如圖3所示，信號為正極性輸入，正極性輸出。r1、r2、r3、c1的作用與在光電導模式下的作用基本相同。放大器a1調節(jié)電流if。當輸入電壓vin增加時，i1增加，同時放大器a1“”輸入端電壓增加，促使電流if增加。由于d1與d2之間的聯系，i1就會把“

8、”輸入端電壓重新拉回0v，形成負反饋。如果放大器a1的輸入電流很小，那么流經r1的電流就為vin/r1=i1。顯而易見，i1與vin之間是線性比例關系。i1穩(wěn)定線性變化，if也穩(wěn)定線性變化。因為d3受到d1光照，i2也跟著穩(wěn)定線性變化。放大器a2和電阻r2將i2轉化成電壓vout=i2r2。 4 運算放大器的選擇 hcnr200/201是電流驅動型器件,其led的工作電流為1ma20ma,因此，運算放大器a1的驅動電流也必須達到20ma,能達到這種輸出電流能力的運算放大器輸出級一般為雙極型，因此，選雙極型運算放大器較合適。同時,根據輸入電壓范圍,也要求運算放大器有相應的共模輸入和輸出能力。本設

9、計電路采用單電源供電的ha17324集成運算放大器,其輸出電流可達40ma。 5 電阻器的選擇 下面討論光電導模式下電阻器的選擇。 a1組成驅動級的等效電路如圖4所示。圖中，rf是等效反饋電阻器。該等效電路是典型的同相型放大器,故u=u,且u=vin,因此vin=u。 由圖2顯而易見， 式中，vd1為d1的正向壓降。 由圖4可見, 故將式(3)代入式(4) 由于器件參數的離散性,i1近似等于0.005if，k3=i2/i11，所以，r1、r2、r3尚需在估算值附近調整,力求獲得最佳線性度。 調節(jié)后，最佳線性度為220。 6 結論 應用線性光耦合器組成的模擬信號隔離電路的線性度好，電路簡單，有效

10、地解決了模擬信號與單片機應用系統(tǒng)的電氣隔離問題。若驅動級、緩沖級采用組合型運算放大器,可使線性度提高。 hcnr200可以廣泛地應用在需要良好穩(wěn)定性、線性度和帶寬的模擬信號隔離場合。采用兩片hcnr200可以工作在雙極性輸入/雙極性輸出模式；同時，還可以工作在交直流電路、變換器的隔離、熱電偶的隔離、4ma20ma模擬電流環(huán)發(fā)射/接收等多種模式下，可廣泛應用在數字通訊、電壓電流檢測、開關電源、測量和測試工業(yè)過程控制等方面。 將該器件用于電機電流測量，電流反饋準確、可靠,在實現電流閉環(huán)控制中發(fā)揮了作用。參考文獻1 武漢力源電子股份有限公司.hcnr200精密線性光耦合器數據手冊z，1999. 2

11、童詩白.模擬電子技術m.北京：高等教育出版社,2001線性光耦原理與電路設計來源：21ic中國電子網 作者：佚名 1. 線形光耦介紹光隔離是一種很常用的信號隔離形式。常用光耦器件及其外圍電路組成。由于光耦電路簡單，在數字隔離電路或數據傳輸電路中常常用到，如uart協議的20ma電流環(huán)。對于模擬信號，光耦因為輸入輸出的線形較差，并且隨溫度變化較大，限制了其在模擬信號隔離的應用。對于高頻交流模擬信號，變壓器隔離是最常見的選擇，但對于支流信號卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案，如adi的ad202，能夠提供從直流到幾k的頻率內提供0.025%的線性度，但這種隔離器件內部先進行

12、電壓-頻率轉換，對產生的交流信號進行變壓器隔離，然后進行頻率-電壓轉換得到隔離效果。集成的隔離放大器內部電路復雜，體積大，成本高，不適合大規(guī)模應用。模擬信號隔離的一個比較好的選擇是使用線形光耦。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別，只是將普通光耦的單發(fā)單收模式稍加改變，增加一個用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個光接受電路都是非線性的，但兩個光接受電路的非線性特性都是一樣的，這樣，就可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而達到實現線性隔離的目的。市場上的線性光耦有幾中可選擇的芯片，如agilent公司的hcnr200/201，ti子公司toas的til300，clare的l

13、oc111等。這里以hcnr200/201為例介紹2. 芯片介紹與原理說明hcnr200/201的內部框圖如下所示其中1、2引作為隔離信號的輸入，3、4引腳用于反饋，5、6引腳用于輸出。1、2引腳之間的電流記作if，3、4引腳之間和5、6引腳之間的電流分別記作ipd1和ipd2。輸入信號經過電壓-電流轉化，電壓的變化體現在電流if上，ipd1和ipd2基本與if成線性關系，線性系數分別記為k1和k2,即k1與k2一般很?。╤cnr200是0.50%），并且隨溫度變化較大（hcnr200的變化范圍在0.25%到0.75%之間），但芯片的設計使得k1和k2相等。在后面可以看到，在合理的外圍電路設計

14、中，真正影響輸出/輸入比值的是二者的比值k3,線性光耦正利用這種特性才能達到滿意的線性度的。hcnr200和hcnr201的內部結構完全相同，差別在于一些指標上。相對于hcnr200，hcnr201提供更高的線性度。采用hcnr200/201進行隔離的一些指標如下所示：* 線性度：hcnr200：0.25%，hcnr201：0.05%；* 線性系數k3：hcnr200：15%，hcnr201：5%；* 溫度系數： -65ppm/oc；* 隔離電壓：1414v；* 信號帶寬：直流到大于1mhz。從上面可以看出，和普通光耦一樣，線性光耦真正隔離的是電流，要想真正隔離電壓，需要在輸出和輸出處增加運算

15、放大器等輔助電路。下面對hcnr200/201的典型電路進行分析，對電路中如何實現反饋以及電流-電壓、電壓-電流轉換進行推導與說明。3. 典型電路分析agilent公司的hcnr200/201的手冊上給出了多種實用電路，其中較為典型的一種如下圖所示：圖2設輸入端電壓為vin，輸出端電壓為vout，光耦保證的兩個電流傳遞系數分別為k1、k2，顯然，和之間的關系取決于和之間的關系。將前級運放的電路提出來看，如下圖所示：設運放負端的電壓為，運放輸出端的電壓為，在運放不飽和的情況下二者滿足下面的關系：vo=voo-gvi (1)其中是在運放輸入差模為0時的輸出電壓，g為運放的增益，一般比較大。忽略運放

16、負端的輸入電流，可以認為通過r1的電流為ip1，根據r1的歐姆定律得：通過r3兩端的電流為if，根據歐姆定律得：其中,為光耦2腳的電壓，考慮到led導通時的電壓（）基本不變，這里的作為常數對待。根據光耦的特性，即 k1=ip1/if (4)將和的表達式代入上式，可得： 上式經變形可得到：將的表達式代入（3）式可得：考慮到g特別大，則可以做以下近似：這樣，輸出與輸入電壓的關系如下：可見，在上述電路中，輸出和輸入成正比，并且比例系數只由k3和r1、r2確定。一般選r1=r2，達到只隔離不放大的目的。4. 輔助電路與參數確定上面的推導都是假定所有電路都是工作在線性范圍內的，要想做到這一點需要對運放進

17、行合理選型，并且確定電阻的阻值。4.1 運放選型運放可以是單電源供電或正負電源供電，上面給出的是單電源供電的例子。為了能使輸入范圍能夠從0到vcc，需要運放能夠滿擺幅工作，另外，運放的工作速度、壓擺率不會影響整個電路的性能。ti公司的lmv321單運放電路能夠滿足以上要求，可以作為hcnr200/201的外圍電路。4.2 阻值確定電阻的選型需要考慮運放的線性范圍和線性光耦的最大工作電流ifmax。k1已知的情況下，ifmax又確定了ipd1的最大值ipd1max，這樣，由于vo的范圍最小可以為0，這樣，由于考慮到ifmax大有利于能量的傳輸，這樣，一般取另外，由于工作在深度負反饋狀態(tài)的運放滿足

18、虛短特性，因此，考慮ipd1的限制，這樣，r2的確定可以根據所需要的放大倍數確定，例如如果不需要方法，只需將r2=r1即可。另外由于光耦會產生一些高頻的噪聲，通常在r2處并聯電容，構成低通濾波器，具體電容的值由輸入頻率以及噪聲頻率確定。4.3 參數確定實例假設確定vcc=5v，輸入在0-4v之間，輸出等于輸入，采用lmv321運放芯片以及上面電路，下面給出參數確定的過程。* 確定ifmax：hcnr200/201的手冊上推薦器件工作的25ma左右；* 確定r3：r3=5v/25ma=200；* 確定r1：;* 確定r2：r2=r1=32k。5. 總結本文給出了線性光耦的簡單介紹以及電路設計、參數選擇等使用中的注意事項與參考設計，并對電路的設計方法給出相應的推導與解釋，供廣大電子工程師參考。 常見之高速光藕型號經查大量資料后，總結出目前市場上常見之高速光藕型號供大家選擇： 100kbit/s: 6n138、6n139、ps8703 1mbit/s: 6n135、6n13