1、2005年第5期儀表技術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模擬電壓進行隔離的基本原理以及相應的硬件電路圖,并給出了實驗數據和分析。根據此電路制成的6路模擬量隔離板在實際應用中取得了很好的效果。關鍵詞:光耦;隔離;模擬電壓中圖分類號:TM930文獻標識碼:B文章編號: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個光電元件組成的器光電流Ipd1之比是一個恒定值K,K在1±0.15之間。2應用電路2.1基本測量原理件,主要技術指標如下:(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光電耦合器的內部結構如圖1,其中LED為AlGaAs發光二極管,PD1、PD2是兩個相鄰

4、匹配的光敏二極管。光敏二極管的PN結在反向偏置狀態下運行,它的反向電流與光照強度成正比,這種封裝結構決定了每一個光敏二極圖1HCNR200的管都能從LED得到近似相等的內部結構原理光強,從而消除了LED的非線性和偏差特性所帶來的誤差。電流If流過LED時,LED發出的光被耦合到PD1與PD2,在器件輸出端產生與光強成正比的輸出電流Ipd1和Ipd2。其中If、Ipd1和Ipd2滿足以下關系:(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實現一個簡單隔離放大器的基本拓撲,除了光耦,還用了2個運放和2只

5、電阻。這個電路雖然簡單,卻清楚地解釋了基本的隔離放大電路是如何工作的。簡單說來,為了維持運放A1的“+”輸入端始終為0V,A1將不斷地調整流過LED的電流If,進而決定PD1上的電流Ipd1。比如,增大輸入Vin,將引起A1“+”端電壓升高,在正負兩端形成一個電壓差,經過A1放大,輸出電壓增大,If隨之增大,光強提高,Ipd1也隨之增大,直至“+”端電壓重新回到0V。假定A1是理想運放,沒有電流流入運放的輸入端,所有流過R1的電流都流過PD1,在運放達到平衡后,有Ipd1=Vin/R圖2基本拓撲Ipd1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,當一只HC

6、2NR200被制造出來后,其輸出側光電流Ipd2和輸入側輸出光強特性無關,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系。另外,雖然LED收稿日期:2005-06作者簡介:張寶生(1982),女,碩士研究生,主要研究方向為電力電子與電力傳動;王念春(1966),男,博士,教授。60儀表技術2005年第5期的輸出光強隨著溫度的變化而略受影響,但運放A1將通過調整If來進行補償。由于HCNR200特殊的封裝結構,2只光電二極管將得到近似的光強,有K=Ipd2/Ipd1運放A2和電阻R2將Ipd2轉換為電壓輸出,有Vout=Ipd23R2UAOUT見表1(電壓單位為V),其中K為實際增益

7、,K=UAOUT/UAIN。表1實驗結果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聯立以上3式,得到輸入輸出電壓的關系(2)

8、Vout/Vin=K3(R2/R1)可以看出,Vout和Vin成線性關系,與LED的光強輸出特性無關。并且僅僅通過調整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、光電二極管或者運放正負輸入端的接法,可以得到更多的適合不同場合的隔離放大電路,比如單極性負輸入電路、雙極性電路等。2.2電路硬件設計可見,1,取K=1.061進行修正,則UAOUT=UAIN.,R6,如圖3,通過調整R6的大小,使TUAIN,誤差控制在毫伏級。圖3中,2只運放及周圍阻容元件配合隔離電路,量,可以進行分壓。同時,隔離兩側的供電要嚴格分開。圖中第一只運放及H

9、CNR200的LED和PD1部分采用+A18V和模擬地(AGND)連接,第二只運放及HCNR200的PD2部分則由+18V和數字地(GND)相連,實現了電氣隔離。根據運放“虛短”和“虛斷”的特性,有Ipd1=UAIN/R2Ipd2=UAOUT/(R4+R5/R6)結合(1),得到UAOUT=UAINKR4+R5/R6R2圖3高精度電壓檢測電路圖3總結(3)可見,被測電壓和輸出電壓之間存在正比的關系,只要適當選取電阻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實驗結果與分析實際要求對4路010V電壓,1路040V電壓以及1路060V電壓進行隔離。對于040V和060V模擬量,在第一只運放前加精密電阻進行分壓,用和100k對040V分壓,510k和100k對200k060V分壓。HCNR200的If要求在1mA20mA之比間,典型值為10mA,經過多次實驗,證明R3取1k。理論較合適;再根據Ipd的限制范圍,取R2=200k上,若K=1,則有R4+R5/R6=R2。實驗時,取R2=。UAIN從0逐漸增大到10V,測量輸出端的電壓200k本文給出了運用高線性模擬光耦器件HCNR200實現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,可以精確實現輸入輸出電壓11傳輸。用本電路制成的模擬量隔離板