经典回顾：线性光耦在电流采样中的应用

1 引言

在现代电气测量和控制中,常常需要用低压器件去测量、控制高电压、强电流等模拟量,如果模拟量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。线性光耦HCNR200可以较好地实现模拟量与数字量之间的隔离,隔离电压峰值达8000V;输出跟随输入变化,线性度达0.01％。

2 HCNR200/201简介

HCNR200型线性光耦的原理如图1所示。它由发光二极管D1、反馈光电二极管D2、输出光电二极管D3组成。当D1通过驱动电流If时,发出红外光(伺服光通量)。该光分别照射在D2、D3上,反馈光电二极管吸收D2光通量的一部分,从而产生控制电流I1(I1=0.005If)。该电流用来调节If以补偿D1的非线性。输出光电二极管D3产生的输出电流I2与D1发出的伺服光通量成线性比例。令伺服电流增益K1=I1/If,正向增益K2=I2/If,则传输增益K3=K2/K1=I2/I1,K3的典型值为1。

3 电流检测电路

3.1 光电导模式下的电流检测电路设计

HCNR200工作在光电导模式下的检测电流电路如图2所示,信号为正极性输入,正极性输出。隔离电路中,R1调节初级运算放大器的输入偏置电流的大小,C1起反馈作用,同时滤除了电路中的毛刺信号,避免HCNR200中的铝砷化镓发光二极管(LED)受到意外的冲击。但是,随着频率的提高,阻抗将变小,HCNR200的初级电流增大,增益随之变大,因而,C1的引入对通道在高频时的增益有一定影响,虽然减小C1的值可以拓展带宽,但是,会影响初级运算放大器的增益,同时,初级运算放大器输出的较大毛刺信号不易被滤除。R3可以控制LED的发光强度,对控制通道增益起一定作用。

3.2 光电压模式下的电流检测电路设计

HCNR200工作在光电压模式下的检测电流电路如图3所示,信号为正极性输入,正极性输出。R1、R2、R3、C1的作用与在光电导模式下的作用基本相同。放大器A1调节电流If。当输入电压Vin增加时,I1增加,同时放大器A1“＋”输入端电压增加,促使电流If增加。由于D1与D2之间的联系,I1就会把“＋”输入端电压重新拉回0V,形成负反馈。如果放大器A1的输入电流很小,那么流经R1的电流就为Vin/R1=I1。显而易见,I1与Vin之间是线性比例关系。I1稳定线性变化,If也稳定线性变化。因为D3受到D1光照,I2也跟着稳定线性变化。放大器A2和电阻R2将I2转化成电压VOut=I2×R2。

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4 运算放大器的选择

HCNR200/201是电流驱动型器件,其LED的工作电流为1mA～20mA,因此,运算放大器A1的驱动电流也必须达到20mA,能达到这种输出电流能力的运算放大器输出级一般为双极型,因此,选双极型运算放大器较合适。同时,根据输入电压范围,也要求运算放大器有相应的共模输入和输出能力。本设计电路采用单电源供电的HA17324集成运算放大器,其输出电流可达40mA。

5 电阻器的选择

下面讨论光电导模式下电阻器的选择。

A1组成驱动级的等效电路如图4所示。图中,Rf是等效反馈电阻器。该等效电路是典型的同相型放大器,故U＋=U－,且U＋=Vin,因此Vin=U－。

由图2显而易见,

式中,VD1为D1的正向压降。

由图4可见,

故将式(3)代入式(4)

由于器件参数的离散性,I1近似等于0.005If,K3=I2/I1≈1,所以,R1、R2、R3尚需在估算值附近调整,力求获得最佳线性度。

调节后,最佳线性度为220Ω。

6 结论

应用线性光耦合器组成的模拟信号隔离电路的线性度好,电路简单,有效地解决了模拟信号与单片机应用系统的电气隔离问题。若驱动级、缓冲级采用组合型运算放大器,可使线性度提高。

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。采用两片HCNR200可以工作在双极性输入/双极性输出模式;同时,还可以工作在交直流电路、变换器的隔离、热电偶的隔离、4mA～20mA模拟电流环发射/接收等多种模式下,可广泛应用在数字通讯、电压电流检测、开关电源、测量和测试工业过程控制等方面。

将该器件用于电机电流测量,电流反馈准确、可靠,在实现电流闭环控制中发挥了作用。