线性光耦原理与电路设计,4-20mA模拟量隔离模块,PLC采集应用

1 .线性光耦合介绍光分离是一种常用的信号分离形式。 由一般光耦合元件及其外围电路构成。 光耦合电路简单，数字分离电路和数据传输电路中常用的例如UART协议的20mA电流环路。 对于模拟信号，由于光耦合器的输入/输出线性差、温度变化大，因此模拟信号分离器的应用受到限制。对于高频交流模拟信号，变压器隔离是最常见的选择，但不适用于支流信号。 一些制造商可以像ADI的AD202那样在从直流到几k个频率的情况下提供0.025%的线性以解决模拟信号隔离问题，但是在该隔离设备内部进行电压-频率转换、对产生的交流信号进行变压器隔离、以及频率-电压转换之后，就能获得隔离效果。 集成隔离放大器的内部电路复杂，体积大，成本高，不适合大规模应用。模拟信号分离的一个好选择是使用线性光耦合。 线性光耦合器的隔离原理与普通光耦合器相同，但是略微改变普通光耦合器的单发接收模式，添加反馈用的光接收电路用于反馈。 如上所述，由于两个光接收电路都是非线性的，但是两个光接收电路的非线性特性相同，因此，通路的非线性与反馈路径的非线性相抵消，从而可以实现线性分离。市场线性光耦合包括可从代理的HCNR200/201、TI子公司TOAS的TIL300、CLARE的LOC111等中选择的芯片。 这里以HCNR200/201为例进行介绍2 .芯片的介绍和原理说明HCNR200/201的内部框图如下所示其中，1、2作为隔离信号的输入，3、4端子用于反馈，5、6端子用于输出。 将1、2端子间的电流记为IF、3、4端子间和5、6端子间的电流分别记为ip1和ip2。 输入信号进行电压-电流变换，电压的变化出现在电流IF中，IP1和IP2基本上与IF呈线性关系，线性系数分别记为K1和K2K1和K2一般较小(HCNR200为0.50% )，但温度变化较大(HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间)，但芯片的设计为K1和K2相等。 如稍后将看到的，在合理的外围电路设计中，在两者的比率K3处，真正影响输出/输入比率，线性光耦合器通过利用该特性来实现令人满意的线性度。HCNR200和HCNR201的内部结构完全相同，差异在于一些指标。 HCNR201提供了比HCNR200更高的线性。采用HCNR200/201隔离的若干指标如下*线性度： HCNR200:0.25%、HCNR201:0.05%；*线性系数K3:HCNR200:15%、HCNR201:5%；*温度系数：-65ppm/oC；*绝缘电压： 1414V*信号带宽：直流至1MHz以上。由以上可知，与通常的光耦合同样，线性光耦合真的是切断电流、切断电压，需要在输出和输出中追加运算放大器等辅助电路。 分析了HCNR200/201的典型电路，推导和说明了电路如何实现反馈，电流-电压、电压-电流转换。3 .典型电路分析Agilent公司的HCNR200/201的手册描述了若干实用电路，其中，典型的电路如下图所示将输入端子电压设为Vin、输出端子电压设为Vout、光耦合保证这两个电流传递系数设为K1、K2时，可知与和的关系依赖于与和的关系。如下图所示，建议前段运输回路设负侧电压、负侧的电压、负侧的电压、负侧的电压、负侧的电压满足以下关系Vo=Voo-GVi (1)其中，运算放大器输入差动模式为0时的输出电压，g为运算放大器的增益，一般较大。当忽略负输入电流时，认为穿过r-1的电流是IP1，并且根据r-1欧姆定律通过R3两端的电流为IF，根据欧姆定律其中，由于光耦合器两脚的电压，因此考虑到LED导通时的电压()几乎没有变化，这里作为常数进行处理。根据光耦合特性K1=IP1/IF (4)如果将和表达式代入上面的表达式，则上式已变形的表达式代入表达式(3)，如下所示考虑到g特别大，可近似如下：因此，输出和输入电压之间的关系如下可以看出，在上述电路中，输出和输入成比例，比例系数只由K3和R1、R2决定。 一般而言，选择R1=R2可以仅隔离不扩大的目的。4 .确定辅助电路和参数以上推导假设所有电路都在线性范围内工作，为实现这一目的，需要合理选择运输并确定电阻的电阻值。4.1运输选型运输可以提供单电源或正负电源，以上是单电源的示例。 为了允许输入范围从0变为VCC，需要以全幅操作，并且操作速度和转换率不影响整个电路的性能。 TI公司的LMV321单驱动电路可以满足上述要求，并可以是HCNR200/201的外围电路。4.2电阻值的确定在电阻的选择中，需要考虑输送的线性范围和线性光耦合的最大工作电流IFmax。 如果K1已知，则IFmax确定IP1的最大值IPD1max，这样，Vo的范围最小可以是0考虑到IFmax有利于能源的输送，一般来说此外，由于深负反馈状态下动作的开销满足虚短特性，因此不考虑ip1的限制就这样R2的确定可以按照所需要的倍率来确定，例如，在不需要方法的情况下，可以设R2=R1。为了光耦合器产生高频噪声，通常在R2处并联连接电容器来构成低通滤波器，具体电容器的值取决于输入频率和噪声频率。4.3参数决定例假设Vcc=5V，输入在0到4 v之间，输出等于输入，并且使用L