线性光耦原理与电路设计[HCNR200,HCNR201]

1. 线形光耦介绍

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。由于光耦电路简单,在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到,如UART协议的20mA电流环。对于模拟信号,光耦因为输入输出的线形较差,并且随温度变化较大,限制了其在模拟信号隔离的应用。

对于高频交流模拟信号,变压器隔离是最常见的选择,但对于支流信号却不适用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案,如ADI的AD202,能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度,但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换,对产生的交流信号进行变压器隔离,然后进行频率-电压转换得到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂,体积大,成本高,不适合大规模应用。

模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。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,这样,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。

市场上的线性光耦有几中可选择的芯片,如Agilent公司的HCNR200/201,TI子公司TOAS的TIL300,CLARE的LOC111等。这里以HCNR200/201为例介绍

2. 芯片介绍与原理说明

HCNR200/201的内部框图如下所示

线性光耦原理与电路设计[HCNR200,HCNR201] - lisa - 学无止境其中1、2引作为隔离信号的输入,3、4引脚用于反馈,5、6引脚用于输出。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。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

 

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K1与K2一般很小(HCNR200是0.50%),并且随温度变化较大(HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间),但芯片的设计使得K1和K2相等。在后面可以看到,在合理的外围电路设计中,真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。

HCNR200和HCNR201的内部结构完全相同,差别在于一些指标上。相对于HCNR200,HCNR201提供更高的线性度。

采用HCNR200/201进行隔离的一些指标如下所示:

* 线性度:HCNR200:0.25%,HCNR201:0.05%;

* 线性系数K3:HCNR200:15%,HCNR201:5%;

* 温度系数: -65ppm/oC;

* 隔离电压:1414V;

* 信号带宽:直流到大于1MHz。

从上面可以看出,和普通光耦一样,线性光耦真正隔离的是电流,要想真正隔离电压,需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助电路。下面对HCNR200/201的典型电路进行分析,对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。

3. 典型电路分析

Agilent公司的HCNR200/201的手册上给出了多种实用电路,其中较为典型的一种如下图所示:
图2

 

线性光耦原理与电路设计[HCNR200,HCNR201] - lisa - 学无止境设输入端电压为Vin,输出端电压为Vout,光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2,显然,,和之间的关系取决于和之间的关系。

将前级运放的电路提出来看,如下图所示:

 

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设运放负端的电压为,运放输出端的电压为,在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系:

Vo=Voo-GVi (1)

其中是在运放输入差模为0时的输出电压,G为运放的增益,一般比较大。

忽略运放负端的输入电流,可以认为通过R1的电流为IP1,根据R1的欧姆定律得:

 

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通过R3两端的电流为IF,根据欧姆定律得:

 

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其中,为光耦2脚的电压,考虑到LED导通时的电压()基本不变,这里的作为常数对待。

根据光耦的特性,即
    K1=IP1/IF (4)

将和的表达式代入上式,可得:
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    上式经变形可得到:

 

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将的表达式代入(3)式可得:

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考虑到G特别大,则可以做以下近似:

 

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这样,输出与输入电压的关系如下:

 

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可见,在上述电路中,输出和输入成正比,并且比例系数只由K3和R1、R2确定。一般选R1=R2,达到只隔离不放大的目的。

4. 辅助电路与参数确定

上面的推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内的,要想做到这一点需要对运放进行合理选型,并且确定电阻的阻值。

4.1 运放选型

运放可以是单电源供电或正负电源供电,上面给出的是单电源供电的例子。为了能使输入范围能够从0到VCC,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。TI公司的LMV321单运放电路能够满足以上要求,可以作为HCNR200/201的外围电路。

4.2 阻值确定

电阻的选型需要考虑运放的线性范围和线性光耦的最大工作电流IFmax。K1已知的情况下,IFmax又确定了IPD1的最大值IPD1max,这样,由于Vo的范围最小可以为0,这样,由于

考虑到IFmax大有利于能量的传输,这样,一般取

另外,由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性,因此,考虑IPD1的限制,

这样,

R2的确定可以根据所需要的放大倍数确定,例如如果不需要方法,只需将R2=R1即可。

另外由于光耦会产生一些高频的噪声,通常在R2处并联电容,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。

4.3 参数确定实例

假设确定Vcc=5V,输入在0-4V之间,输出等于输入,采用LMV321运放芯片以及上面电路,下面给出参数确定的过程。

* 确定IFmax:HCNR200/201的手册上推荐器件工作的25mA左右;

* 确定R3:R3=5V/25mA=200;

* 确定R1:;

* 确定R2:R2=R1=32K。

5. 总结

本文给出了线性光耦的简单介绍以及电路设计、参数选择等使用中的注意事项与参考设计,并对电路的设计方法给出相应的推导与解释,供广大电子工程师参考。

### 回答1: 线性光耦HCNR201是一种双通道光学耦合器件,用于实现电路之间的电压隔离。它具有高精度的电压隔离能力和低功耗特点。 一个典型的电压隔离实例是将HCNR201应用于交流电测量电路中。在这种应用中,交流电测量电路需要测量高电压信号,同时需要将测量结果传输给低电压环境,以保护低电压电路免受高电压信号的影响。这时,可以使用HCNR201来实现电压隔离。 首先,将HCNR201的一个通道连接到高电压信号源,同时将另一个通道连接到低电压环境中的信号处理电路。两个通道之间通过光电二极管(LED)和光电晶体管(Phototransistor)进行光耦合。高电压信号通过HCNR201的输入端接到LED驱动电路,将电信号转换成光信号。光信号经过隔离层传输后,再由光电晶体管转换为电信号,输出到低电压环境的信号处理电路中进行处理。 由于HCNR201的隔离层使用了高绝缘材料,能够有效地隔离高电压和低电压环境。同时,HCNR201的输出信号可以精确地传输高电压测量结果到低电压环境,保持测量结果的准确性和稳定性。 总之,线性光耦HCNR201作为一种光学耦合器件,在电路中的电压隔离实例中发挥了重要作用。它能够实现高电压信号的隔离和传输,保护低电压环境中的信号处理电路。同时,HCNR201具有高精度和低功耗等优点,是电压隔离应用中的理想选择。 ### 回答2: 线性光耦HCNR201是一种用于电压隔离的器件。它由一个发射器和一个接收器组成,通过一条光纤将信号从输入端传输到输出端,实现电气信号的隔离和传递。 以一个电压隔离的实例来说明HCNR201的应用: 假设我们有一个工业自动化控制系统,需要将输入和输出电路进行电气隔离,以避免噪声、干扰、保护设备和人员安全。 首先,我们将输入信号接入到HCNR201的输入端,这个输入信号可以是来自传感器、开关等设备的模拟或数字信号。输入信号经过HCNR201内部的发射器转换成光信号,并通过光纤传输到输出端。 在输出端,光信号被接收器转换成电信号,然后输出到控制系统或其他设备中。由于光信号传输不受电气干扰的影响,这样就实现了输入和输出电路的电气隔离。 通过使用HCNR201电压隔离器件,我们可以实现以下优势: 1. 电气隔离:将输入和输出电路隔离,避免了噪声和干扰对系统的影响。 2. 安全性增强:保护人员和设备免受高电压和电气噪声的伤害。 3. 高精度传输:由于光信号传输不受电磁干扰的影响,可以实现高精度的信号传输。 总之,线性光耦HCNR201的电压隔离实例可以应用于工业自动化、电力系统、医疗设备等领域,以实现信号的隔离、传输和保护。它可以提高系统的稳定性、可靠性和安全性。 ### 回答3: HCNR201是一种光电隔离器,用于实现电压信号的隔离和传输。它通过输入端的光电二极管对输入电压信号进行光耦合,然后通过输出端的光电三极管将光信号转化为等幅值但隔离的输出电压信号。下面以一个线性光耦HCNR201的电压隔离实例进行介绍。 假设我们需要将一个具有高电压的实验台测量设备隔离开来,以保障测量设备的安全性。首先,将实验台的高电压信号连接到HCNR201的输入端,通常需要使用一个电阻分压器将信号降低到HCNR201的输入范围内。HCNR201将输入信号光耦合到光电二极管中,并将光信号转换成电流信号。 然后,通过一个转换电路将光电二极管的电流信号转换为电压信号。转换电路通常使用一个电流到电压转换器,将光电二极管输出的电流转换为输入电压成正比的电压信号。最后,将得到的电压信号通过HCNR201的输出端连接到测量设备。由于光电三极管输出的电压信号输入信号成正比,因此我们可以在测量设备上获得实验台输出信号相同但是具有电气隔离的信号。 这样一来,我们可以在保证了测量设备的安全性的前提下,将实验台上的高电压信号传输到测量设备中进行相关的测量和处理。线性光耦HCNR201的电压隔离实例为我们提供了一种有效而可靠的方法,可以在电气隔离的条件下实现不同部分之间的信号传输。
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