线性光偶HCNR200的原理与电路设计
3页1、线性光偶HCNR200的原理与电路设计孙鹏在电气测量、测试以及控制中,常常需要对高电压、强电流等模拟量进行采集。如果模拟量(高压、强电流)与数字量之间没有电气隔离,那么,高电压、强电流很容易串入低压器件,并将其烧毁,因而必须对两种信号进行隔离。光隔离是一种很常用的信号隔离形式,常用光耦器件及其外围电路组成。但是,一般的光偶器件都是面向数字信号的,具有开、关二值性,对于模拟信号的隔离,需要使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样,虽然两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电路的非线性特性都是一样的,就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。HCNR200是Agilent公司生产的一款线性光耦,它可以较好的实现模拟量与数字量之间隔离,隔离电压峰值达8000伏,输出跟随输入变化,线性度达0.01。1、HCNR200/201简介线性光耦HCNR200的内部结构如图 1所示。它由发光二极管D1(1、2引脚)、反馈光电二极管D2(3、4引脚)、输出光电二极管D3(5、6
2、引脚)组成。1、2引脚之间的电流记作IF,3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。当有IF流过时,D1发出红外光(伺服光通量 )。该光分别照射在D2、D3上,产生控制电流IPD1和输出电流IPD2。D1两端的输入信号经过电压-电流转化,电压的变化体现在电流IF上,IPD1和IPD2基本与IF成线性关系,线性系数分别记为K1和K2,即:对于HCNR200,K1与K2为0.005,并且随温度变化较大(HCNR200的变化范围在0.0025到0.0075之间),但芯片的设计使得K1和K2相等。在实际应用中,人们真正关心的是线性光偶电路的传输增益:K3=K2/K1,对于HCNR200,K3的典型值为1。图1 HCNR200内部结构图2、典型电路如图2所示,为HCNR200数据手册中给出的一个典型电路。运算放大器A1用以调节流过LED的电流(IF),进而控制PD1中的电流(IPD1),从而使得其同向输入端(+端)的电压为0V。当VIN增大时,A1的“+”输入电压会变大,而IF、IPD1会随之变大,根据PD1的接法,由于运放没有电流输入,VIN经R1和PD1到地,IPD1增
3、大导致R1上的分压增大,从而使A1的“+”输入电压会回落,仍然保持到0V,反之亦然。可知:IPD1=VIN/R1在输出端,运放A2将电流IPD2转换回电压VOUT,且VOUT= IPD2*R2。则:VOUT/VIN=( IPD2*R2) /( IPD1*R1) =K3*(R2/R1)由于K3为定值,因而,VIN和VOUT之间的关系为线性的,且与LED的光通量无关。其增益调整可以通过调节R1和R2的值实现。图2 HCNR200的典型应用电路3、实际应用电路图3 HCNR200实际应用电路图2中的典型电路虽然符合原理,但在实际应用时还需要一些额外的器件来稳定输入极电流、限制LED的电流以及优化电路性能等。在图3中,C1可以防止电路产生震荡,虑除电路中的毛刺,避免LED受到意外损坏。不过在高频应用时,C1的存在对通道增益会有一定影响,应根据工作频率具体选择C1的值。R2可以控制LED的发光强度,从而对控制通道增益起一定作用。另外由于光耦会产生一些高频的噪声,所以一般在输出电阻R3处并联电容C3,构成低通滤波器,具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。4、参数选择运放可以是单电源供电或正负电源供电,图3给出的是单电源供电的例子。为了使输入范围能够从0到VCC1,需要运放能够满摆幅工作,另外,运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。市场上的LMV321、HA17324等运放基本都能够满足以上要求,可以作为HCNR200的外围电路。电阻的选择需要考虑运放的线性范围和线性光耦的工作电流IF。K1已知的情况下,IF又确定了IPD1的值。在图3中,假设确定VCC1=5V,输入在0-3.5V之间,输出等于输入,下面给出参数确定的过程。1) 确定IF:HCNR200是电流驱动型,其LED的工作电流要求为 1-40mA,数据手册推荐工作电流为25mA,因而,此处取IF=25mA。2) 确定R2:R2=VCC1/IF=200。3) 确定R1:R1=VIN/IPD1=VIN/(K1*IF)=3.5/(0.005*25)=28K。4) 确定R3:R3=R1=28K。应用线性光耦合器组成的模拟信号隔离电路,线性度好,电路简单,有效地解决了模拟信号与单片机应用系统之间电气隔离问题。HCNR200可以广泛地应用在需要良好稳定性、线性度和带宽的模拟信号隔离场合。
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