線性光耦在電流采樣中的應(yīng)用

1、線性光耦在電流采樣中的應(yīng)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(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)電機(jī)電流的隔離傳輸電路，并推導(dǎo)出其外圍電阻的計(jì)算方法。關(guān)鍵詞：線性光耦;線性隔離;模擬信號(hào);應(yīng)用1引言在現(xiàn)代電氣測(cè)量和控制中，常常需要用低壓器件去測(cè)量、控制高電壓、強(qiáng)電流等模擬量，如果模擬量與數(shù)字量之間沒(méi)有電氣隔離，那么，高電壓、強(qiáng)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(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的隔離，隔離電壓峰值達(dá)8000V;輸出跟隨輸入變化，線性度達(dá)0.01%。2 HCNR200/201 簡(jiǎn)介HCNR200型線性光耦的原

2、理如圖1所示。它由發(fā)光二極管。1、反饋光電二極管D2、輸出光電二極管D3組成。當(dāng)D1通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流If時(shí)，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(chǎn)生控制電流Ii(Ii=0.005If)。該電流用來(lái)調(diào)節(jié)If以補(bǔ)償D1的非線性。輸出光電二極管D3產(chǎn)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K=I /I ,正向增益K=I/I,則傳輸11 f22 f增益K=K /K=I /I ,K的典型值為1。321213園I堀2D0北辨N您國(guó)3電流檢測(cè)電路3.2光電壓模式下的電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)HCNR200工作在光電壓模式下的檢測(cè)電流電路如

3、圖3所示,信號(hào)為正極性輸入，正極性輸出。R1、R2、R3、C1的作用與在光電導(dǎo)模式下的作用基本相同。放大器A1調(diào)節(jié)電流If。當(dāng)輸入電壓Vin增加時(shí),11增加，同時(shí)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(lián)系，11就會(huì)把“ + ”輸入端電壓重新拉回0V,形成負(fù)反饋。如果放大器A1的輸入電流很小，那么流經(jīng)R1的電流就為Vin/R1=IiO顯而易見(jiàn)，I1與vin之間是線性比例關(guān)系。I1穩(wěn)定線性變化,If也穩(wěn)定線性變化。因?yàn)镈3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(zhuǎn)化成電壓Vout=I2XR2。圈3 圈3 七電壓椎犬.下的電溫檢神I站維小

4、FE M4運(yùn)算放大器的選擇HCNR200/201是電流驅(qū)動(dòng)型器件，其LED的工作電流為1mA20mA,因此，運(yùn)算放大器A1的驅(qū)動(dòng)電流也必須達(dá)到20mA,能達(dá)到這種輸出電流能力的運(yùn)算放大器輸出級(jí)一般為雙極型，因此，選雙極型運(yùn)算放大器較合適。同時(shí)，根據(jù)輸入電壓范圍，也要求運(yùn)算放大器有相應(yīng)的共模輸入和輸出能力。本設(shè)計(jì)電路采用單電源供電的HA17324集成運(yùn)算放大器，其輸出電流可達(dá)40mA。5電阻器的選擇下面討論光電導(dǎo)模式下電阻器的選擇。3.1光電導(dǎo)模式下的電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)HCNR200工作在光電導(dǎo)模式下的檢測(cè)電流電路如圖2所示，信號(hào)為正極性輸入，正極性輸出。隔離電路中,虬調(diào)節(jié)初級(jí)運(yùn)算放大器的輸入偏置

5、電流的大小,q起反饋?zhàn)饔?，同時(shí)濾除了電路中的毛刺信號(hào)，避免HCNR200中的鋁神化鎵發(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,HCNR200的初級(jí)電流增大,增益隨之變大，因而,q的引入對(duì)通道在高頻時(shí)的增益有一定影響，雖然減小C1的值可以拓展帶寬,但是，會(huì)影響初級(jí)運(yùn)算放大器的增益，同時(shí)，初級(jí)運(yùn)算放大器輸出的較大毛刺信號(hào)不易被濾除。R可以控制LED的發(fā)光強(qiáng)度,對(duì)控制通道增益起一定作用。圖3 光電導(dǎo)楝氏下的也急檢潮牝站A1組成驅(qū)動(dòng)級(jí)的等效電路如圖4所示。圖中,R是等效反饋電阻器。該 f等效電路是典型的同相型放大器，故U+=U_,且U+=Vin，因此Vin=U_。洱.迎奇蛆

6、的號(hào)城電陪由圖2顯而易見(jiàn),(1式中,VD1為D1的正向壓降。由圖4可見(jiàn)，h U t/ - / K i因?yàn)?/r = 0.005A .H)f以，(Kj -= 200i/-/fc(2)將式(1 )代入式(*一 hn)/ ff. = 200 x 總/比,則Ki -= 200 x 隊(duì) x 供/田令 fti-200/f： .則K當(dāng)1七+加(3)因?yàn)樽愣?K, - In,)/A(4)故將式(3)代入式(4)&=偵隊(duì)由圖2可得Kui = Jj x ft由圖2及式(1)叮鉗V - 11 x Rt因?yàn)槭蔷€性光耕舍器模按信號(hào)隔離地路.所以 令始=虹則A x Jfj = Zi x Ri又因心=/： / fj - L

7、所以田=He由于器件參數(shù)的離散性,I1近似等于0.005If,K3=I2/I產(chǎn)1,所以,R1、R2、R3尚需在估算值附近調(diào)整，力求獲得最佳線性度。例如,在本設(shè)計(jì)中、隊(duì),mOV-IDV. lzrrl =15 V, = k-fl/ /i： 10 / (20 x!0 J x 0.005) = 10U& 凡二朋=I叫.S Rg- 005 =500(11),但經(jīng)調(diào)節(jié)后，最佳線性度為220。6結(jié)論應(yīng)用線性光耦合器組成的模擬信號(hào)隔離電路的線性度好，電路簡(jiǎn)單,有效地解決了模擬信號(hào)與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的電氣隔離問(wèn)題。若驅(qū)動(dòng)級(jí)、緩沖級(jí)采用組合型運(yùn)算放大器，可使線性度提高。HCNR200可以廣泛地應(yīng)用在需要良好穩(wěn)定性、線性度和帶寬的模擬信號(hào)隔離場(chǎng)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(shí)，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(yīng)用在數(shù)字通訊、電壓電流檢測(cè)、開(kāi)關(guān)電源、測(cè)量和測(cè)試工業(yè)過(guò)程