线性光耦在电流采样中的应用

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型线性光耦的原理如图1所示。它由发光二极管D1、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I_f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I₁(I₁=0.005I_f)。该电流用来调节I_f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K₁=I₁/I_f,正向增益K₂=I₂/I_f,则传输

增益K₃=K₂/K₁=I₂/I₁,K₃的典型值为1。

3 电流检测电路
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,R₁调节初级运算放大器的输入偏置

电流的大小,C₁起反馈作用,同时滤除了电路中的毛刺信号,避免HCNR200中

的铝砷化镓发光二极管(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,C₁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。R₃可以控制LED的发光强度,对控制通道增益起一

定作用。

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I_f。当输入电压V_in增加时,I₁增加,

同时放大器A1“＋”输入端电压增加,促使电流I_f增加。由于D1与D2之

间的联系,I₁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V_in/R₁=I₁。显而易见,

I₁与V_in之间是线性比例关系。I₁稳定线性变化,I_f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V_Out=I₂×R₂。

4 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1mA～20mA,

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。
    A1组成驱动级的等效电路如图4所示。图中,R_f是等效反馈电阻器。该

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

    由图2显而易见, 
  
式中,VD1为D1的正向压降。
由图4可见,  
 
故将式(3)代入式(4)  
   
    由于器件参数的离散性,I₁近似等于0.005I_f,K₃=I₂/I₁≈1,所以,

R₁、R₂、R₃尚需在估算值附近调整,力求获得最佳线性度。 
 
调节后,最佳线性度为220Ω。

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、

4mA～20mA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控制等方面。
    将该器件用于电机电流测量,电流反馈准确、可靠,在实现电流闭环

控制中发挥了作用。

参考文献

[1] 武汉力源电子股份有限公司.HCNR200精密线性光耦合器数据手册[Z],1999.
[2] 童诗白.模拟电子技术[M].北京：高等教育出版社,2001