線性光耦原理與電路設(shè)計(jì),4-20mA模擬量隔離模塊,PLC采集應(yīng)用

1、1.線形光耦介紹uart協(xié)議的光隔離是一種很常用的信號(hào)隔離形式。常用光耦器件及其外圍電路組成。于光耦電路簡(jiǎn)單，在數(shù)字隔離電路或數(shù)據(jù)傳輸電路中常常用到，如20ma電流環(huán)。對(duì)于模擬信號(hào)，光耦因?yàn)檩斎胼敵龅木€形較差，并且隨溫度變化較大，限制了其在模擬信號(hào)隔離的應(yīng)用。對(duì)于高頻交流模擬信號(hào)，變壓器隔離是最常見(jiàn)的選擇，但對(duì)于支流信號(hào)卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號(hào)隔離的解決方案，如adi的ad202能夠提供從宜流到幾 k的頻率內(nèi)提供0.025%的線性度，但這種隔離器件內(nèi)部先 進(jìn)行電-電壓轉(zhuǎn)換得到隔離效 規(guī)模應(yīng)用。線性光耦的隔離原理與增加一個(gè)用于反饋的光壓-頻率轉(zhuǎn)換，對(duì)產(chǎn)生的交流信號(hào)進(jìn)行變壓器隔

2、離，然后進(jìn)行頻率 果。集成的隔離放大器內(nèi)部電路復(fù)雜，體積大，成本高，不適合大模擬信號(hào)隔離的一個(gè)比較好的選擇是使用線形光耦。普通光耦沒(méi)有差別，只是將普通光耦的單發(fā)單收模式稍加改變，接 受電路用于反饋。這樣，雖然兩個(gè)光接受電路都是非線性的，但兩個(gè)光接受電路的非線性特性都是一樣的，這樣，就可以通過(guò)反饋通路的非線性來(lái)抵消宜通通路的非 線性，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)線性隔離的目的。市場(chǎng)上的線性光耦有幾中可選擇的芯片，如agile nt公司的hcnr200/201 ti子公司toas勺til300 , clare勺loc111等。這里以hcnr200/20偽例介紹2.芯片介紹與原理說(shuō)明hcnr200/20的內(nèi)部框圖如

3、下所示led anooefui cat modepd1anoo?led cathodeb o hc乍hc圖表t hcnr2q0/201內(nèi)部結(jié)構(gòu)其中1、2引作為隔離信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)電壓-電流轉(zhuǎn)化，電壓的變化體現(xiàn)在電流 if上，ipd1和ipd2基本 與if成線性關(guān)系，線性系數(shù)分別記為k1和k2,即k =4 k ledt廠77'k1與k2 一般很?。╤cnr20是0.50% ）,并且隨溫度變化較大（hcnr20的 變 化范圍在0.25%至u

4、0.75%之間），但芯片的設(shè)計(jì)使得 k1和k2相等。在后面可 以看 到，在合理的外圍電路設(shè)計(jì)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(dá)到滿意的線性度的。hcnr2o0 口 hcnr20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，差別在于一些指標(biāo)上。相對(duì)于hcnr2o 0 hcnr20提供更高的線性度。米用hcnr200/20進(jìn)行隔離的一些指標(biāo)如下所示：* 線性度：hcnr200 0.25%, hcnr201 0.05% ;* 線性系數(shù) k3: hcnr20 0 15% hcnr201 5%* 溫度系數(shù)：-65ppm/oc ;邛鬲離電壓：1414v;* 信號(hào)帶寬：宜流到大于1mhz從上

5、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(yùn)算放大器等輔助電路。下面對(duì) hcnr200/20的典型電路 進(jìn)行分析，對(duì)電路中如何實(shí)現(xiàn)反饋以及電流 電壓、電 壓-電流轉(zhuǎn)換進(jìn)行推導(dǎo)與說(shuō)明。3.典型電路分析agile nt公司的hcnr200/20的手冊(cè)上給出了多種實(shí)用電路，其中較為典型的一種如下圖hcnrjj ； 口。01/if隔離地圖表 hcnr200/201典型中.路別為k1、設(shè)輸入端電壓為 vin,輸出端電壓為 vout,光耦保證的兩個(gè)電流傳遞系數(shù)分 k2,顯然，和之間的關(guān)系取決于和之間的關(guān)系。將前級(jí)運(yùn)放的電路提出來(lái)看，如下圖所示：vcc圖表

6、3 hcnr20o/2o1 皮饋電顯各足下面的關(guān)設(shè)運(yùn)放負(fù)端的電壓為，運(yùn)放輸出端的電壓為，在運(yùn)放不飽和的情況下二者滿vo=voo-gvi (1)其中是在運(yùn)放輸入差模為 0時(shí)的輸出電壓，g為運(yùn)放的增益，一般比較大。忽略運(yùn)放負(fù)端的輸入電流，可以認(rèn)為通過(guò)r1的電流為ip1 ,根據(jù)r1的歐姆定律得：(2)通過(guò)r3兩端的電流為if,根據(jù)歐姆定律得：其中，為光耦2腳的電壓，考慮到led導(dǎo)通時(shí)的電壓()基本不變，這里的作為常數(shù)對(duì)待。根據(jù)光耦的特性，即k 仁 ip1/if (4)將和的表達(dá)式代入上式，可得：pi盡（%上式經(jīng)變形可得到：心 % +krg nq=r 扎一砒r幾一k附'kag + r.()將的

7、表達(dá)式代入(3)式可得：工尺匕-欲外% -乙)i _%l兀_沙眄。蟲(chóng) ddx!k只g +鳳-&)碼 + 嚇豈% - %) + gri- gk 屈 -叮)考慮到g特別大，則可以做以下近似:_盡壓鳥(niǎo)g + rk(乙-佛幾4 hm 幾=hm 肌 s 啦=2k f f gt8 &krg + && kr這樣，輸出與輸入電壓的關(guān)系如下：% =a血一足=# =心容可見(jiàn)，在上述電路中，輸出和輸入成正比，并且比例系數(shù)只由 k3 和 r1 、 r2確定。一般選r 仁 r2 達(dá)到只隔離不放大的目的。4. 輔助電路與參數(shù)確定上面的推導(dǎo)都是假定所有電路都是工作在線性范圍內(nèi)的， 要想做到這

8、一點(diǎn)需要對(duì)運(yùn)放進(jìn)行合理選型，并且確定電阻的阻值。4.1 運(yùn)放選型運(yùn)放可以是單電源供電或正負(fù)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o 到 vcc 需要運(yùn)放能夠滿擺幅工作，另外，運(yùn)放的工 作速 度、壓擺率不會(huì)影響整個(gè)電路的性能。 ti 公司的 lmv321 單運(yùn)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(yùn)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 ipdimax 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

9、于能量的傳輸，這樣，一般取另外，由于工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)的運(yùn)放滿足虛短特性，因此，考慮 ipd1的限制，、一/辛這樣，r2 的確定可以根據(jù)所需要的放大倍數(shù)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(huì)產(chǎn)生一些高頻的噪聲，通常在 r2 處并聯(lián)電容，構(gòu)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(shù)確定實(shí)例假設(shè)確定 vcc=5v, 輸入在 0-4v 之間，輸出等于輸入，采用 lmv321 運(yùn)放芯 片以及上 面電路，下面給出參數(shù)確定的過(guò)程。* 確定ifmax ： hcnr200/20 的手冊(cè)上推薦器件工作的 25ma 左右；* 確定r3: r3=5v/25m

10、a=200* 確定r1:;* 確定r2: r2=r 仁 32k光耦隔離 plc 應(yīng)用在自動(dòng)化匚程中有時(shí)需要將現(xiàn)場(chǎng)件感器送來(lái)的420ma電渝信號(hào)送入可褊程邏 掛卜控制(plc)以便對(duì)模擬量進(jìn)行監(jiān)st控制。并且.為了日迷免plc內(nèi)、外部電腐接地電 位不尊而引 起時(shí)課墊以及保護(hù) p1工內(nèi)部電蹄卒受外部電路故障的彩響.進(jìn)一步撾黑系統(tǒng) 可靠性？還 需要使用線性光電耦 合器進(jìn)行信號(hào)隔離。;£是基于這樣的需要，本丈設(shè)計(jì)了一址 mite離板電畤、將 420ma電流信號(hào).嵯過(guò)線性光電耦合器hcnr2mih離.量終輸由 a5v電壓佶號(hào)其應(yīng)見(jiàn)僭xlcohamtt4 .電路元件及其參數(shù)選擇hcnr200的l

11、ed的工作電漓即肩 于冊(cè)中的推 薦工作狀祝為卜20ina所"運(yùn)昇放大 器的駝動(dòng) 電流必須達(dá)到20ma,選抒雙極吃運(yùn)放較為合適，并且，輕求運(yùn)放具有艮好的共楔輸入和笥由能力，本文中運(yùn)算肢人器采用單電源供電的lx?蟲(chóng)，其輸山電流典 ss值達(dá)到ma. ettrtlk從（w到 加譏由 t控領(lǐng)域廣泛使用 對(duì)w直流電源，此處也采用直流24¥電壓，即 vc?i=vcc2=24v?kl=lpd/lf t 取典 0.5%, vcci=24v, vin=1-5v? h voulavjn ?hcnr200的技術(shù)手冊(cè)中緒生的押：薦半均輯 入電流if：因此1f=30itia：并有ipd1 0.5% t

12、faoj ma.根據(jù)純性光耦的工作電流【f和運(yùn)放的線性范胃來(lái)選 #rh r£ r3.首先.由前面的電路分析 1pdevinzr1,得 rl- vin/lpoi=5vajjma =50kdr 由于 vgut- k*vjn*rakl ,故有 r2-r l=50w df/2o ma = ,2kq.電容ct和c2采用o.luf的肉瓷電容舔=5 .實(shí)驗(yàn)電路搭建與結(jié)果分析在一玦萬(wàn)用版上措建具休的電路，直電路圖見(jiàn)斟7250 f<gnr凰匚隔離板赴路圖+4八20na為了模擬420 ma電流信號(hào).可將 24v電源，串上一可調(diào)限流電觥來(lái)理供電流佶號(hào).將此電源轉(zhuǎn)換成電樂(lè)的展 25oq的梢整電p衣盂翌說(shuō)明的是老咤到 屯路兀件的誤船和洱嫁等越曲.因而有必鑒將2 (計(jì)mffl 50k)改計(jì)成可調(diào) 電阻，在此，為了方便調(diào)節(jié)，我們將電阻r2掩計(jì)成一個(gè)固定電阻 r20和一個(gè)可 詭電阻r2卡串朕的形 式*同主電m八40kh的色環(huán)電習(xí)i.可調(diào)電pr的攝大肌借為2() ks2.在實(shí)驗(yàn)時(shí).先給定時(shí)ma的電流倡號(hào)*并調(diào)節(jié)r2w使得輸由電j i怨久uuv,熬牯保持r有不 變，械小電甌倍 號(hào)，并測(cè)量輸 由電levbub記錄卜數(shù)據(jù)，比較仃 理想仇的篇簽.£!