HCNR200电压隔离

2 1 基本测量原理 图 2 所示为用 HCNR200 实现一个简单隔离放大器的基本拓扑 除了光耦 还用了 2 个运放 和 2 只电阻 这个电路虽然简单 却清楚地解释了基本的隔离放大电路是如何工作的 简单 说来 为了维持运放 A1 的 输入端始终为 0V A1 将不断地调整流过 LED 的电流 If 进而决定 PD1 上的电流 Ipd1 比如 增大输入 Vin 将引起 A1 端电压升高 在正负端 形成一个电压差 经过 A1 放大 输出电压增大 If 随之增大 光强提高 Ipd1 也随之增大 直至 端电压重新回到 0V 假定 A1 是理想运放 没有电流流入运放的输入端 所有流过 R1 的电流都流过 PD1 在运放达到平衡后 有 Ipd1 Vin R1 图 2 基本拓扑 pd1 仅仅决定于输入电压以及 R1 的值 与 LED 的输出光强特性无关 因此在输入电压与光 电二极管的电流之间就建立起很好的线性关系 另外 虽然 LED 的输出光强随着温度的变 化而略受影响 但运放 A1 将通过调整 If 来进行补偿 由于 HCNR200 特殊的封装结构 2 只光电二极管将得到近似的光强 有 K Ipd2 Ipd1 运放 A2 和电阻 R2 将 Ipd2 转换为电压 输出 有 Vout pd23 R2 联立以上 3 式 得到输入输出电压的关系 Vout V in K3 R2 R1 2 可以看出 Vout 和 Vin 成线性关系 与 LED 的光强输 出特性无关 并且仅仅通过调整 R1 和 R2 的值 就可以改变此隔离放大电路的增益 图 2 是单极性输入电路 要求输入电压 Vin 必须为正 改变 LED 光电二极管或者运放正 负输入端的接法 可以得到更多的适合不同场合的隔离放大电路 比如单极性负输入电路 双 极性电路等 2 2 电路硬件设计 图 3 中 2 只运放及周围阻容元件配合 HCNR200 构成了隔离电路 对电压较高的模拟量 可 以进行分压 同时 隔离两侧的供电要严格分开 图中第 一 只 运 放 及 HCNR200 的 LED 和 PD1 部分采用 A18V 和模拟地 AGND 连接 第二只运放及 HCNR200 的 PD2 部分则由 18V 和数字地 GND 相连 实现了电气隔离 根据运放 虚短 和 虚断 的特性 有 Ipd1 UAIN R2 Ipd2 UAOUT R4 R5 R6 结合 1 得到 UAOUT UAIKR4 R5 R6R2 3 可见 被测电压和输出电压之间存在正比的关系 只要适当选取电阻 R2 R4 R5 R6 的阻 值 就可以得到一定比例的隔离输出电压 图 3 高精度电压检测电路图 2 3 实验结果与分析 实际要求对 4 路 0 10V 电压 1 路 0 40V 电压以及 1 路 0 60V 电压进行隔离 对于 0 40V 和 0 60V 模拟量 在第一只运放前加精密电阻进行分压 用 200k 和 100k 对 0 40V 分压 510k 和 100k 对 0 60V 分压 HCNR200 的 If 要求在 1mA 20mA 之 间 典型值为 10mA 经过多次实验 证明 R3 取 1k 比较合适 再根据 Ipd 的限制范围 取 R2 200k 理论上 若 K 1 则有 R4 R5 R6 R2 实验时 取 R2 200k UAIN 从 0 逐渐增大到 10V 测量输出端的电压 UAOUT 见表 1 电压单位为 V 其中 K 为实际增益 K UAOUT UAIN 表 1 实验结果 UAIN U AOUTKV AIN U AOUTK 0 3490 3701 061085 2345 5551 06133 1 6061 7041 061025 8756 2351 06128 2 2482 3861 061396 5836 9851 06107 2 7792 9491 061177 0417 4751 06163 3 3733 5801 061377 5738 0361 06114 3 8994 1371 061048 2298 7331 06124 4 6334 9171 061309 53310 1171 06126 可见 实际增益并不为 1 取 K 1 061 进行修正 则 UAOUT UAIN1 061 为提高精度 用电位器代替固定电阻 R6 如图 3 所示 对于每一路模拟量隔离 通过调整 R6 的大小 使 UAOUT UAIN 误差控制在毫伏级 3 总结 本文给出了运用高线性模拟光耦器件 HCNR200 实现模拟电压隔离的基本原理和硬件电路 图 合理选取电阻的大小 可以精确实现输入输出电压 1 1 传输 用本电路制成的模拟量隔离板在列车发电车检测中取得了理想的效果 参考文献 1 张维 一种高精度信号调理电路 J 自动化仪表 2001 12 56 58 2 赵向华 一种实用的线性