經典回顧：線性光耦在電流采樣中的應用

1 引言

在現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可以較好地實現模擬量與數字量之間的隔離,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通過驅動電流If時,發出紅外光(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,從而產生控制電流I1(I1=0.005If)。該電流用來調節If以補償D1的非線性。輸出光電二極管D3產生的輸出電流I2與D1發出的伺服光通量成線性比例。令伺服電流增益K1=I1/If,正向增益K2=I2/If,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調節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調節電流If。當輸入電壓Vin增加時,I1增加,同時放大器A1“＋”輸入端電壓增加,促使電流If增加。由于D1與D2之間的聯系,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R1的電流就為Vin/R1=I1。顯而易見,I1與Vin之間是線性比例關系。I1穩定線性變化,If也穩定線性變化。因為D3受到D1光照,I2也跟著穩定線性變化。放大器A2和電阻R2將I2轉化成電壓VOut=I2×R2。