线性光耦在电流采样中的应用

1、线性光耦在电流采样中的应用作者：李海波，林辉摘要：介绍新型精密线性光耦器件HCNR200的工作原理，给出两种用HCNR200和运算放大器实现的检测电机电流的隔离传输电路，并推导出其外围电阻的计算方法。关键词：线性光耦;线性隔离;模拟信号;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

2、理如图1所示。它由发光二极管。1、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Ii(Ii=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K=I /I ,正向增益K=I/I,则传输11 f22 f增益K=K /K=I /I ,K的典型值为1。321213园I堀2D0北辨N您国3电流检测电路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

3、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,11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，11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=IiO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=I2XR2。圈3 圈3 七电压椎犬.下的电温检神I站维小

4、FE M4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1mA20mA,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。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,虬调节初级运算放大器的输入偏置

5、电流的大小,q起反馈作用，同时滤除了电路中的毛刺信号，避免HCNR200中的铝神化镓发光二极管(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,q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。R可以控制LED的发光强度,对控制通道增益起一定作用。图3 光电导楝氏下的也急检潮牝站A1组成驱动级的等效电路如图4所示。图中,R是等效反馈电阻器。该 f等效电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、的号城电陪由图2显而易见,(1式中,VD1为D1的正向压降。由图4可见，h U t/ - / K i因为 /r = 0.005A .H)f以，(Kj -= 200i/-/fc(2)将式(1 )代入式(*一 hn)/ ff. = 200 x 总/比,则Ki -= 200 x 队 x 供/田令 fti-200/f： .则K当1七+加(3)因为足二(K, - In,)/A(4)故将式(3)代入式(4)&=侦队由图2可得Kui = Jj x ft由图2及式(1)叮钳V - 11 x Rt因为是线性光耕舍器模按信号隔离地路.所以 令始=虹则A x Jfj = Zi x Ri又因心=/： / fj - L

7、所以田=He由于器件参数的离散性,I1近似等于0.005If,K3=I2/I产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。例如,在本设计中、队,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),但经调节后，最佳线性度为220。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、4mA20mA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