線性光耦在電流采樣中的應用

1 引言
在現(xiàn)代電氣測量和控制中,常常需要用低壓器件去測量、控制高電壓、

強電流等模擬量,如果模擬量與數(shù)字量之間沒有電氣隔離,那么,高電壓、

強電流很容易串入低壓器件,并將其燒毀。線性光耦HCNR200可以較好地

實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的隔離,隔離電壓峰值達8000V;輸出跟隨輸入

變化,線性度達0.01％。

2 HCNR200/201簡介
HCNR200型線性光耦的原理如圖1所示。它由發(fā)光二極管D1、反饋光

電二極管D2、輸出光電二極管D3組成。當D1通過驅(qū)動電流I_f時,發(fā)出紅外

光(伺服光通量)。該光分別照射在D2、D3上,反饋光電二極管吸收D2光通

量的一部分,從而產(chǎn)生控制電流I₁(I₁=0.005I_f)。該電流用來調(diào)節(jié)I_f以補

償D1的非線性。輸出光電二極管D3產(chǎn)生的輸出電流I₂與D1發(fā)出的伺服光通

量成線性比例。令伺服電流增益K₁=I₁/I_f,正向增益K₂=I₂/I_f,則傳輸

增益K₃=K₂/K₁=I₂/I₁,K₃的典型值為1。

3 電流檢測電路
3.1 光電導模式下的電流檢測電路設計
HCNR200工作在光電導模式下的檢測電流電路如圖2所示,信號為正

極性輸入,正極性輸出。隔離電路中,R₁調(diào)節(jié)初級運算放大器的輸入偏置

電流的大小,C₁起反饋作用,同時濾除了電路中的毛刺信號,避免HCNR200中

的鋁砷化鎵發(fā)光二極管(LED)受到意外的沖擊。但是,隨著頻率的提高,

阻抗將變小,HCNR200的初級電流增大,增益隨之變大,因而,C₁的引入對

通道在高頻時的增益有一定影響,雖然減小C₁的值可以拓展帶寬,但是,

會影響初級運算放大器的增益,同時,初級運算放大器輸出的較大毛刺

信號不易被濾除。R₃可以控制LED的發(fā)光強度,對控制通道增益起一

定作用。

3.2 光電壓模式下的電流檢測電路設計
HCNR200工作在光電壓模式下的檢測電流電路如圖3所示,信號為

正極性輸入,正極性輸出。R₁、R₂、R₃、C₁的作用與在光電導模式下的

作用基本相同。放大器A1調(diào)節(jié)電流I_f。當輸入電壓V_in增加時,I₁增加,

同時放大器A1“＋”輸入端電壓增加,促使電流I_f增加。由于D1與D2之

間的聯(lián)系,I₁就會把“＋”輸入端電壓重新拉回0V,形成負反饋。如果放

大器A1的輸入電流很小,那么流經(jīng)R₁的電流就為V_in/R₁=I₁。顯而易見,

I₁與V_in之間是線性比例關(guān)系。I₁穩(wěn)定線性變化,I_f也穩(wěn)定線性變化。

因為D3受到D1光照,I₂也跟著穩(wěn)定線性變化。放大器A2和電阻R₂將I₂轉(zhuǎn)

化成電壓V_Out=I₂×R₂。

4 運算放大器的選擇
HCNR200/201是電流驅(qū)動型器件,其LED的工作電流為1mA～20mA,

因此,運算放大器A1的驅(qū)動電流也必須達到20mA,能達到這種輸出電流

能力的運算放大器輸出級一般為雙極型,因此,選雙極型運算放大器較

合適。同時,根據(jù)輸入電壓范圍,也要求運算放大器有相應的共模輸入和

輸出能力。本設計電路采用單電源供電的HA17324集成運算放大器,其輸

出電流可達40mA。

5 電阻器的選擇
下面討論光電導模式下電阻器的選擇。
A1組成驅(qū)動級的等效電路如圖4所示。圖中,R_f是等效反饋電阻器。該

等效電路是典型的同相型放大器,故U_＋=U_－,且U_＋=V_in,因此V_in=U_－。

由圖2顯而易見,

式中,VD1為D1的正向壓降。
由圖4可見,

故將式(3)代入式(4)

由于器件參數(shù)的離散性,I₁近似等于0.005I_f,K₃=I₂/I₁≈1,所以,

R₁、R₂、R₃尚需在估算值附近調(diào)整,力求獲得最佳線性度。

調(diào)節(jié)后,最佳線性度為220Ω。

6 結(jié)論
應用線性光耦合器組成的模擬信號隔離電路的線性度好,電路簡單,

有效地解決了模擬信號與單片機應用系統(tǒng)的電氣隔離問題。若驅(qū)動級、

緩沖級采用組合型運算放大器,可使線性度提高。
HCNR200可以廣泛地應用在需要良好穩(wěn)定性、線性度和帶寬的模擬信

號隔離場合。采用兩片HCNR200可以工作在雙極性輸入/雙極性輸出模式;

同時,還可以工作在交直流電路、變換器的隔離、熱電偶的隔離、

4mA～20mA模擬電流環(huán)發(fā)射/接收等多種模式下,可廣泛應用在數(shù)字通訊、

電壓電流檢測、開關(guān)電源、測量和測試工業(yè)過程控制等方面。
將該器件用于電機電流測量,電流反饋準確、可靠,在實現(xiàn)電流閉環(huán)

控制中發(fā)揮了作用。

參考文獻