线性光偶HCNR200的原理与电路设计

线性光偶HCNR200的原理与电路设计孙鹏在电气测量、测试以及控制中，常常需要对高电压、强电流等模拟量进行采集。如果模拟量（高压、强电流）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，因而必须对两种信号进行隔离。光隔离是一种很常用的信号隔离形式，常用光耦器件及其外围电路组成。但是，一般的光偶器件都是面向数字信号的，具有开、关二值性，对于模拟信号的隔离，需要使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。HCNR200是Agilent公司生产的一款线性光耦，它可以较好的实现模拟量与数字量之间隔离，隔离电压峰值达8000伏，输出跟随输入变化，线性度达0.01％。1、HCNR200/201简介线性光耦HCNR200的内部结构如图1所示。它由发光二极管D1（1、2引脚）、反馈光电二极管D2（3、4引脚）、输出光电二极管D3（5、6引脚）组成。1、2引脚之间的电流记作IF，3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。当有IF流过时，D1发出红外光(伺服光通量)。该光分别照射在D2、D3上，产生控制电流IPD1和输出电流IPD2。D1两端的输入信号经过电压-电流转化，电压的变化体现在电流IF上，IPD1和IPD2基本与IF成线性关系，线性系数分别记为K1和K2,即：FPDFPDIIKIIK2211,对于HCNR200，K1与K2为0.005，并且随温度变化较大（HCNR200的变化范围在0.0025到0.0075之间），但芯片的设计使得K1和K2相等。在实际应用中，人们真正关心的是线性光偶电路的传输增益：K3=K2/K1，对于HCNR200，K3的典型值为1。图1HCNR200内部结构图2、典型电路如图2所示，为HCNR200数据手册中给出的一个典型电路。运算放大器A1用以调节流过LED的电流（IF），进而控制PD1中的电流（IPD1），从而使得其同向输入端（+端）的电压为0V。当VIN增大时，A1的“+”输入电压会变大，而IF、IPD1会随之变大，根据PD1的接法，由于运放没有电流输入，VIN经R1和PD1到地，IPD1增大导致R1上的分压增大，从而使A1的“+”输入电压会回落，仍然保持到0V，反之亦然。可知：IPD1=VIN/R1在输出端，运放A2将电流IPD2转换回电压VOUT，且VOUT=IPD2*R2。则：VOUT/VIN=(IPD2*R2)/(IPD1*R1)=K3*(R2/R1)由于K3为定值，因而，VIN和VOUT之间的关系为线性的，且与LED的光通量无关。其增益调整可以通过调节R1和R2的值实现。图2HCNR200的典型应用电路3、实际应用电路123456ABCD654321DCBAR332184U2AVCCGNDVOUT32184U1AR1GND1VCC1GND1GND1R2VCC1GND12346578A4HCNR200VINC1C2VOUT图3HCNR200实际应用电路图2中的典型电路虽然符合原理，但在实际应用时还需要一些额外的器件来稳定输入极电流、限制LED的电流以及优化电路性能等。在图3中，C1可以防止电路产生震荡，虑除电路中的毛刺，避免LED受到意外损坏。不过在高频应用时，C1的存在对通道增益会有一定影响，应根据工作频率具体选择C1的值。R2可以控制LED的发光强度，从而对控制通道增益起一定作用。另外由于光耦会产生一些高频的噪声，所以一般在输出电阻R3处并联电容C3，构成低通滤波器，具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。4、参数选择运放可以是单电源供电或正负电源供电，图3给出的是单电源供电的例子。为了使输入范围能够从0到VCC1，需要运放能够满摆幅工作，另外，运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。市场上的LMV321、HA17324等运放基本都能够满足以上要求，可以作为HCNR200的外围电路。电阻的选择需要考虑运放的线性范围和线性光耦的工作电流IF。K1已知的情况下，IF又确定了IPD1的值。在图3中，假设确定VCC1=5V，输入在0-3.5V之间，输出等于输入，下面给出参数确定的过程。1）确定IF：HCNR200是电流驱动型,其LED的工作电流要求为1--40mA，数据手册推荐工作电流为25mA，因而，此处取IF=25mA。2）确定R2：R2=VCC1/IF=200Ω。3）确定R1：R1=VIN/IPD1=VIN/(K1*IF)=3.5/(0.005*25)=28KΩ。4）确定R3：R3=R1=28KΩ。应用线性光耦合器组成的模拟信号隔离电路，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之间电气隔离问题。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。