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1 引言 在現(xiàn)代電氣測(cè)量和控制中,常常需要用低壓器件去測(cè)量、控制高電壓、強(qiáng)電流等模擬量,如果模擬量與數(shù)字量之間沒有電氣隔離,那么,高電壓、強(qiáng)電流很容易串入低壓器件,并將其燒毀。線性光耦HCNR200可以較好地實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的隔離,隔離電壓峰值達(dá)8000V;輸出跟隨輸入變化,線性度達(dá)0.01％。 2 HCNR200/201簡介 HCNR200型線性光耦的原理如圖1所示。它由發(fā)光二極管D1、反饋光電二極管D2、輸出光電二極管D3組成。當(dāng)D1通過驅(qū)動(dòng)電流If時(shí),發(fā)出紅外光(伺服光通量)。該光分別照射在D2、D3上,反饋光電二極管吸收D2光通量的一部分,從而產(chǎn)生控制電流I1(I1=0.005If)。該電流用來調(diào)節(jié)If以補(bǔ)償D1的非線性。輸出光電二極管D3產(chǎn)生的輸出電流I2與D1發(fā)出的伺服光通量成線性比例。令伺服電流增益K1=I1/If,正向增益K2=I2/If,則傳輸增益K3=K2/K1=I2/I1,K3的典型值為1。 3 電流檢測(cè)電路 3.1 光電導(dǎo)模式下的電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì) HCNR200工作在光電導(dǎo)模式下的檢測(cè)電流電路如圖2所示,信號(hào)為正極性輸入,正極性輸出。隔離電路中,R1調(diào)節(jié)初級(jí)運(yùn)算放大器的輸入偏置電流的大小,C1起反饋?zhàn)饔?同時(shí)濾除了電路中的毛刺信號(hào),避免HCNR200中的鋁砷化鎵發(fā)光二極管(LED)受到意外的沖擊。但是,隨著頻率的提高,阻抗將變小,HCNR200的初級(jí)電流增大,增益隨之變大,因而,C1的引入對(duì)通道在高頻時(shí)的增益有一定影響,雖然減小C1的值可以拓展帶寬,但是,會(huì)影響初級(jí)運(yùn)算放大器的增益,同時(shí),初級(jí)運(yùn)算放大器輸出的較大毛刺信號(hào)不易被濾除。R3可以控制LED的發(fā)光強(qiáng)度,對(duì)控制通道增益起一定作用。 3.2 光電壓模式下的電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì) HCNR200工作在光電壓模式下的檢測(cè)電流電路如圖3所示,信號(hào)為正極性輸入,正極性輸出。R1、R2、R3、C1的作用與在光電導(dǎo)模式下的作用基本相同。放大器A1調(diào)節(jié)電流If。當(dāng)輸入電壓Vin增加時(shí),I1增加,同時(shí)放大器A1“＋”輸入端電壓增加,促使電流If增加。由于D1與D2之間的聯(lián)系,I1就會(huì)把“＋”輸入端電壓重新拉回0V,形成負(fù)反饋。如果放大器A1的輸入電流很小,那么流經(jīng)R1的電流就為Vin/R1=I1。顯而易見,I1與Vin之間是線性比例關(guān)系。I1穩(wěn)定線性變化,If也穩(wěn)定線性變化。因?yàn)镈3受到D1光照,I2也跟著穩(wěn)定線性變化。放大器A2和電阻R2將I2轉(zhuǎn)化成電壓VOut=I2×R2。 4 運(yùn)算放大器的選擇 HCNR200/201是電流驅(qū)動(dòng)型器件,其LED的工作電流為1mA～20mA,因此,運(yùn)算放大器A1的驅(qū)動(dòng)電流也必須達(dá)到20mA,能達(dá)到這種輸出電流能力的運(yùn)算放大器輸出級(jí)一般為雙極型,因此,選雙極型運(yùn)算放大器較合適。同時(shí),根據(jù)輸入電壓范圍,也要求運(yùn)算放大器有相應(yīng)的共模輸入和輸出能力。本設(shè)計(jì)電路采用單電源供電的HA17324集成運(yùn)算放大器,其輸出電流可達(dá)40mA。 5 電阻器的選擇 下面討論光電導(dǎo)模式下電阻器的選擇。 A1組成驅(qū)動(dòng)級(jí)的等效電路如圖4所示。圖中,Rf是等效反饋電阻器。該等效電路是典型的同相型放大器,故U＋=U－,且U＋=Vin,因此Vin=U－。 由圖2顯而易見, 式中,VD1為D1的正向壓降。 由圖4可見, 故將式(3)代入式(4) 由于器件參數(shù)的離散性,I1近似等于0.005If,K3=I2/I1≈1,所以,R1、R2、R3尚需在估算值附近調(diào)整,力求獲得最佳線性度。 調(diào)節(jié)后,最佳線性度為220Ω。 6 結(jié)論 應(yīng)用線性光耦合器組成的模擬信號(hào)隔離電路的線性度好,電路簡單,有效地解決了模擬信號(hào)與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的電氣隔離問題。若驅(qū)動(dòng)級(jí)、緩沖級(jí)采用組合型運(yùn)算放大器,可使線性度提高。 HCNR200可以廣泛地應(yīng)用在需要良好穩(wěn)定性、線性度和帶寬的模擬信號(hào)隔離場(chǎng)合。采用兩片HCNR200可以工作在雙極性輸入/雙極性輸出模式;同時(shí),還可以工作在交直流電路、變換器的隔離、熱電偶的隔離、4mA～20mA模擬電流環(huán)發(fā)射/接收等多種模式下,可廣泛應(yīng)用在數(shù)字通訊、電壓電流檢測(cè)、開關(guān)電源、測(cè)量和測(cè)試工業(yè)過程控制等方面。 將該器件用于電機(jī)電流測(cè)量,電流反饋準(zhǔn)確、可靠,在實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制中發(fā)揮了作用。 |
