線性光耦原理與電路設計,20mA模擬量隔離模塊,PLC采集應用

1、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(shù)字隔離電路或數(shù)據(jù)傳輸電路中常常用到，如UART*議的20mAfe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(nèi)提供0.025%的線性度，但這種隔離器件內(nèi)部先 進行電壓-頻率轉(zhuǎn)換，對產(chǎn)生的交流信號進行變壓器隔離，然后進行頻率-電壓 轉(zhuǎn) 換得到隔離效果。集成的隔離放大器

2、內(nèi)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(xiàn)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勺TIL300, CLARE勺LOC111等。這里以HCNR200/20偽例介紹 2.芯片介紹與原理說明HCNR

3、200/20酌內(nèi)部框圖如下所示I中I刈唯丁閥圖表1 HCNR2O0/2ai內(nèi)部結構其中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(jīng)過電壓-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成線性關系，線性系數(shù)分別記為 K1和K2,即K1與K2一般很?。℉CNR20艇0.50%）,并且隨溫度變化較大（HCNR20的 變化范圍在0.25%J 0.75%問），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中，真正影響輸出/輸入

4、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。HCNR20和HCNR20的內(nèi)部結構完全相同，差別在于一些指標上。相對于 HCNR200 HCNR20掘供更高的線性度。采用HCNR200/20進行隔離的一些指標如下所示：線性度：HCNR200 0.25%, HCNR2Q 10.05%;線性系數(shù) K3: HCNR200 15% HCNR2G1 5%溫度系數(shù)：-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放大器等輔助電路。下面對 HCNR200/

5、20酌典型電路進行分析，對電路中如何實現(xiàn)反饋以及電流 -電壓、電 壓-電流轉(zhuǎn)換進行推導與說明。3.典型電路分析Agilent公司的HCNR200/20酌手冊上給出了多種實用電路，其中較為典型 的一種如下圖輸入諱n圖表HCNR200/201典型申,路設輸入端電壓為Vin,輸出端電壓為Vout,光耦保證的兩個電流傳遞系數(shù)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：VCCQ圖表3 HCNR20O/2O1反饋電路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 其中是在運放輸入差模為0時的輸出電壓

6、，G為運放的增益，一般比較大。忽略運放負端的輸入電流，可以認為通過 R1的電流為IP1 ,根據(jù)R1的歐姆 定律得：(2)通過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LE四通時的電壓（）基本不變，這里的 作為常數(shù)對待。根據(jù)光耦的特性，即K1=IP1/IF將和的表達式代入上式，可得:上式經(jīng)變形可得到：K內(nèi)（ -曦）+ KMQ匕=- &匕4一7%-給用（口口一匕。）K 禺G + &將的表達式代入（3）式可得：=噎-匕=%-曝+G匕=8 歐&/G +鳥&旦兄Wg 匕oW +K/G(3 匕口 HGH% GK&G 一乙) RKRiG +（%-曦w+%囁 +&瑪考慮到G特別大，則

7、可以做以下近似:,1- r r -%)4+GR除 %Ilim 人-lim =凡凡G +旦旦Kl風這樣，輸出與輸入電壓的關系如下：曝二由旦二K/凡二,個匕1二代35囁可見，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R1=R2達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，要想做到這一點需要對運放進行合理選型，并且確定電阻的阻值。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。T

8、I公司的LMV32憚運放電路能夠滿足以上要求，可以作為 HCNR200/201的外圍電路。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)的運放滿足虛短特性，因此，考慮 IPD1 的限制，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。另外由于光耦會產(chǎn)生一些高頻的噪聲，通常在 R2處并聯(lián)電容，構成低通濾 波器，具體電容的值由輸入頻率

9、以及噪聲頻率確定。參數(shù)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 LMV32強放芯 片以及上面電路，下面給出參數(shù)確定的過程。*確定IFmax: HCNR200/20的手冊上推薦器件工作的25mM右；確定 R3: R3=5V/25mA=200確定R1:;確定 R2: R2=R1=32K光耦隔離PLC應用一 在自動化工程中,有時需要將現(xiàn)場傳感器送來的42DmA電流信號送入可編程邏輯控制 器（PLC）中，以便對模報量進行監(jiān)割、控制.并且，為了避免PLC內(nèi)、外部電路接地電 位不等而引起的誤差，以及保護PLC內(nèi)部電路不受外都電路故障的影響，進一步提高系統(tǒng) 可靠性,還需要使用線徑

10、光電耦合器誑行信號踴離.正是基于這樣的需要，本文設計了一址 .模捌異隔離板電辟，相人20mA電流信號，經(jīng)討線杷光電耦合器HCNR200隔離,最埋輸出 1-5V電壓信號，其成用見圖1。PLCOWM4 ama u+2iV4.電路元件及其參數(shù)選擇HCNR200的LED的工1T電流即手班中的推薦匚作狀況為170mA.所以運算放大 器的驅(qū)動電流必知達到20mA.選擇雙極型運放較為合適，并R.要求運放具有良好的共模 峨人和輸出能力，本文中運算放大罌乘用單電源供電的LM35X,其輸出電流典螫值達到40 mA,【作電壓從0V到？。5禮由于工控領域廣泛使用24V直流電源，此處也采用直流24V 電壓，UP VCC

11、I=VCC2=24V ）K1 = pm/TF,取典型值 0.5%, VCC1=24V. Vtn=1-5V,旦 Wut-VlN.HCNR2M的技術手冊中給出的推薦平均輸入電流A囚此取If=2omA.并有1PD 1-0.5% 1F-0J mA, 根據(jù)稅性光鼎的工作電流*和運放的線性范困來選擇RL R2, R3.首先,由前面的電路分析 IPDI=VIK/Rh 得 Rl= VTN/ IPD|=5VpO,ItiiA =50Kh 由于 Vout-K*VN*R2R L 故有 R2-R l=50W 0R3-VCCI1F-24V/20 mA =L2KQ.電容Cl湘C2采用OJuF的陶瓷電容器0為了模擬620 mA電流信號，可格24V電源，申上一可調(diào)限流電阻來提供電流信號， 將此電流轉(zhuǎn)換成電壓的是250Q的精密電阻。需要說明的是考慮到電路無外的誤Z和溫漂等影響，因而仃必要將R2 （計算值50K） 設計成可調(diào)電阻，在此，為了方便調(diào)節(jié)，我們將電阻R2設汁成一個固定電阻R2。和一個可 調(diào)電阻R2*串聯(lián)的形式，固定電阻為40 KC的色環(huán)電阻，可調(diào)電阻的最大阻值為20 KG.在實驗時，先給定20 mA的電流信號，并調(diào)節(jié)R2*,使得輸出電喃5.00V,然后保持 R2*不變，減小電流信號，并測址輸出電fEVbut,記錄下數(shù)據(jù)，比較與理