1、2005年第5期儀表技術(shù)59基于高線性模擬光耦器件HCNR200的模擬量隔離板張寶生,王念春(東南大學(xué)電氣工程系,江蘇南京210096)摘要:介紹利用HCNR200高線性度模擬光電隔離器對(duì)模擬電壓進(jìn)行隔離的基本原理以及相應(yīng)的硬件電路圖,并給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析。根據(jù)此電路制成的6路模擬量隔離板在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。關(guān)鍵詞:光耦;隔離;模擬電壓中圖分類號(hào):TM930文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1006-2394(2005)05-0059-02AnalogIsolationBoardBasedonHigh2linearityAnalogOptocouplerHCNR200ZHANGBao2she

2、ng,WANGNian2chun(DepartmentofElectricalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing)Abstract:TheprincipleofusingHCNR200toisolateanalogywtwo.Thecorrespondinghardwarecircuitwasalsoprovided.Theaccuratetestingdataandanalysisboardbasedonthecircuitachievedperfectresult.Keywords:optocoupler;isolation;1HCNR200HC

3、NR200光電耦合器由3個(gè)光電元件組成的器光電流Ipd1之比是一個(gè)恒定值K,K在1±0.15之間。2應(yīng)用電路2.1基本測(cè)量原理件,主要技術(shù)指標(biāo)如下:(1)具有±0.05%的最大線性誤差,HCNR200具有最大±15%的傳輸增益偏差(11傳輸信號(hào)的情況下);(2)具有較寬的帶寬,從DC到1MHz以上;(3)絕13緣電阻高達(dá)10,輸入和輸出回路之間的分布電容為0.4pF;(4)耐壓能力為5000V/min,最大絕緣工作電壓為1414V;具有015V的輸入輸出電壓范圍。HCNR200光電耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1,其中LED為AlGaAs發(fā)光二極管,PD1、PD2是兩個(gè)相鄰

4、匹配的光敏二極管。光敏二極管的PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運(yùn)行,它的反向電流與光照強(qiáng)度成正比,這種封裝結(jié)構(gòu)決定了每一個(gè)光敏二極圖1HCNR200的管都能從LED得到近似相等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理光強(qiáng),從而消除了LED的非線性和偏差特性所帶來(lái)的誤差。電流If流過(guò)LED時(shí),LED發(fā)出的光被耦合到PD1與PD2,在器件輸出端產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的輸出電流Ipd1和Ipd2。其中If、Ipd1和Ipd2滿足以下關(guān)系:(1)Ipd1=K1IfIpd2=K2IfK=Ipd2/Ipd1K1、K2分別為輸入、輸出光電二極管的電流傳輸比,其圖2所示為用HCNR200實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單隔離放大器的基本拓?fù)?除了光耦,還用了2個(gè)運(yùn)放和2只

5、電阻。這個(gè)電路雖然簡(jiǎn)單,卻清楚地解釋了基本的隔離放大電路是如何工作的。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái),為了維持運(yùn)放A1的“+”輸入端始終為0V,A1將不斷地調(diào)整流過(guò)LED的電流If,進(jìn)而決定PD1上的電流Ipd1。比如,增大輸入Vin,將引起A1“+”端電壓升高,在正負(fù)兩端形成一個(gè)電壓差,經(jīng)過(guò)A1放大,輸出電壓增大,If隨之增大,光強(qiáng)提高,Ipd1也隨之增大,直至“+”端電壓重新回到0V。假定A1是理想運(yùn)放,沒(méi)有電流流入運(yùn)放的輸入端,所有流過(guò)R1的電流都流過(guò)PD1,在運(yùn)放達(dá)到平衡后,有Ipd1=Vin/R圖2基本拓?fù)銲pd1僅僅決定于輸入電壓以及R1的值,與LED的典型值均在0.05%左右。K為傳輸增益,當(dāng)一只HC

6、2NR200被制造出來(lái)后,其輸出側(cè)光電流Ipd2和輸入側(cè)輸出光強(qiáng)特性無(wú)關(guān),因此在輸入電壓與光電二極管的電流之間就建立起很好的線性關(guān)系。另外,雖然LED收稿日期:2005-06作者簡(jiǎn)介:張寶生(1982),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng);王念春(1966),男,博士,教授。60儀表技術(shù)2005年第5期的輸出光強(qiáng)隨著溫度的變化而略受影響,但運(yùn)放A1將通過(guò)調(diào)整If來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。由于HCNR200特殊的封裝結(jié)構(gòu),2只光電二極管將得到近似的光強(qiáng),有K=Ipd2/Ipd1運(yùn)放A2和電阻R2將Ipd2轉(zhuǎn)換為電壓輸出,有Vout=Ipd23R2UAOUT見(jiàn)表1(電壓?jiǎn)挝粸閂),其中K為實(shí)際增益

7、,K=UAOUT/UAIN。表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果UAINUAOUTKVAINUAOUTK0.3491.6062.2482.7793.3733.8994.6330.3701.7042.3862.9493.5804.1374.9171.061081.061021.061391.061171.061371.061041.061305.2345.8756.5837.0417.5738.2299.5335.5556.2356.9857.4758.0368.73310.1171.061331.061281.061071.061631.061141.061241.06126聯(lián)立以上3式,得到輸入輸出電壓的關(guān)系(2)

8、Vout/Vin=K3(R2/R1)可以看出,Vout和Vin成線性關(guān)系,與LED的光強(qiáng)輸出特性無(wú)關(guān)。并且僅僅通過(guò)調(diào)整R1和R2的值,就可以改變此隔離放大電路的增益。圖2是單極性輸入電路,要求輸入電壓Vin必須為正。改變LED、光電二極管或者運(yùn)放正負(fù)輸入端的接法,可以得到更多的適合不同場(chǎng)合的隔離放大電路,比如單極性負(fù)輸入電路、雙極性電路等。2.2電路硬件設(shè)計(jì)可見(jiàn),1,取K=1.061進(jìn)行修正,則UAOUT=UAIN.,R6,如圖3,通過(guò)調(diào)整R6的大小,使TUAIN,誤差控制在毫伏級(jí)。圖3中,2只運(yùn)放及周?chē)枞菰浜细綦x電路,量,可以進(jìn)行分壓。同時(shí),隔離兩側(cè)的供電要嚴(yán)格分開(kāi)。圖中第一只運(yùn)放及H

9、CNR200的LED和PD1部分采用+A18V和模擬地(AGND)連接,第二只運(yùn)放及HCNR200的PD2部分則由+18V和數(shù)字地(GND)相連,實(shí)現(xiàn)了電氣隔離。根據(jù)運(yùn)放“虛短”和“虛斷”的特性,有Ipd1=UAIN/R2Ipd2=UAOUT/(R4+R5/R6)結(jié)合(1),得到UAOUT=UAINKR4+R5/R6R2圖3高精度電壓檢測(cè)電路圖3總結(jié)(3)可見(jiàn),被測(cè)電壓和輸出電壓之間存在正比的關(guān)系,只要適當(dāng)選取電阻R2、R4、R5、R6的阻值,就可以得到一定比例的隔離輸出電壓。2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)際要求對(duì)4路010V電壓,1路040V電壓以及1路060V電壓進(jìn)行隔離。對(duì)于040V和060V模擬量,在第一只運(yùn)放前加精密電阻進(jìn)行分壓,用和100k對(duì)040V分壓,510k和100k對(duì)200k060V分壓。HCNR200的If要求在1mA20mA之比間,典型值為10mA,經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),證明R3取1k。理論較合適;再根據(jù)Ipd的限制范圍,取R2=200k上,若K=1,則有R4+R5/R6=R2。實(shí)驗(yàn)時(shí),取R2=。UAIN從0逐漸增大到10V,測(cè)量輸出端的電壓200k本文給出了運(yùn)用高線性模擬光耦器件HCNR200實(shí)現(xiàn)模擬電壓隔離的基本原理和硬件電路圖。合理選取電阻的大小,可以精確實(shí)現(xiàn)輸入輸出電壓11傳輸。用本電路制成的模擬量隔離板