HCNR200型线性光耦的工作原理及在模拟信号隔离电路中的应用

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If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=0.005If）。该电流用来调节If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/If，正向增益K2=I2/If，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If。当输入电压Vin增加时，I1增加，同时放大器A1“＋”输入端电压增加，促使电流If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Vin/R1=I1。显而易见，I1与Vin之间是线性比例关系。I1稳定线性变化，If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VOut=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，Rf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＋=Vin，因此Vin=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0.005If，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。

责任编辑：gt