电子工程师评职范文线性光耦的应用

　　[摘要]本文介绍了线性光耦器件的特性及工作原理，分析了该类器件用于模拟信号隔离转换的典型电路，给出线性光耦在煤矿电气产品电路设计中的应用实例。

　　关键词：线性光耦,光电隔离,核心期刊征稿,HCNR201

　　引言：

　　煤矿井下环境一般比较恶劣，为了适应井下的特殊环境，煤矿电气产品的设计在电气间隙、爬电距离、信号隔离等方面较普通电气产品要严格的多。本文将介绍线性光耦隔离技术在煤矿电气产品电路设计过程中的应用。

　　一、概述

　　煤矿井下传感设备采集的环境参数信号和一些大型开关电气设备的监视控制信号多是本质安全信号，这些信号无故障和不失真传输是保证煤矿井下安全生产监控系统可靠运行的保证。井下环境中有很多因素会导致此类信号的失真，如接地环路问题、测量回路相互连接问题、电磁干扰问题等等。隔离技术可以有效解决以上问题。对于数字信号的隔离，光电隔离是常用的信号隔离形式，光电隔离中光电耦合器通过光电转换，以光为信号传输介质，从而实现了现场信号与控制装置的完全隔离。对于模拟信号，光耦因为输入输出的线性较差，并且随温度变化较大，一度限制了其在模拟信号隔离的应用。随着半导体技术的发展，高精度、高线性度的线性光耦的出现，加速了光隔离技术在模拟信号隔离电路广泛应用。

　　二、线性光耦

　　基本原理：

　　线性光耦组成的隔离电路本质上也是一种光耦和隔离放大器，它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收电路用于反馈。这样两个非线性的光接收电路，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。常用的线性光耦有Agilent公司的HCNR200/201，CLARE公司的LOC110，TI公司的TIL300，SSOUSA公司的SLC800等。

　　内部构成及特性：

　　LED为AlGaAs发光二级管，PD1和PD2为两个匹配的光敏二级管，二极管反向电流与接收到的光强度成正比。隔离信号由1、2脚输入，电流IF流过LED，LED发光被PD1和PD2接收，耦合电流IPD1和IPD2与电流IF成线性关系，线性系数分别为K1= ，K2= ，K1与K2一般很小其典型值均在0.05%左右。并且K1、K2随温度变化较大，但这并不影响信号的传输，因为真正影响输入输出信号比值的是二者的比值K3(传输增益)，在一个芯片制造出来之后，K3=IPD2/IPD1就为一个恒定值(HCNR200的值大概在1±0.15，HCNR 201的值大概在1±0.05，SLC800的大概在1±0.1，TIL300的值为1±0.25)，线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。

　　线性光耦隔离的一些重要指标如下：

　　Ø 线性度高：可以达到0.01%;

　　Ø 输入输出范围可达0～15V

　　Ø 信号带宽：直流到大于1MHz。

　　Ø 隔离电压高：最高可达5000VDC/min，最大绝缘工作电压可达1414V;

　　三、典型应用电路

　　(一)电压信号的隔离VIN/VOUT

　　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，传输增益为K3,此电路中输入和输出之间关系为：Vout=K3 (根据运放电路的特性，具体推导过程这里不再赘述)，可根据需要放大的倍数设置R1和R2的值，如果不需要放大，只需将R2=R1即可。外围器件选择及参数确定方法如下：

　　1、选择运放芯片：首先电路设计要求确定Vcc，这里选择Vcc=5V;根据输入信号的范围及形式确定运放类型，这里设输入为0-5V之间的电压信号，为方便设计者自行控制电气间隙和爬电距离，最好选择单个运放芯片。LMV321单运放芯片可以满足以上要求。

　　2、确定IFmax：HCNR200/201的手册上推荐器件工作的10mA左右;

　　3、确定R3: 手册上的光耦二极管的压降为1.6V,所以R3=(5V-1.6V)/10mA=340

　　4、确定R1，R2: 因为手册上的K1=IP1/IF系数是从0.25%到0.75%，典型值是0.5%，取最小值为0.25%，则IP1=K1*IF=0.5%*10mA=0.05mA，输入电压范围是0-5V,所以 R1=5V/0.05mA=100K，根据电路要求，若输出等于输入，那么R2=R1=100K。根据实际需求选择是否需要精密电阻。

　　(二) 电流电压信号隔离转换Iin/Vout

　　器件选择和参数确定方法和电压信号的隔离应用电路中的方法来类似，这里不再详述。

　　四、应用实例：

　　笔者在设计胶带输送机保护装置的时，需要将皮带保护相关的几个传感器传送到现场参数采集到主控站PLC中，然后根据计算结果实现对现场设备的控制。其中，堆煤传感器输出是0～5V电压信号，温度和电机电流均为4～20mA电流信号，还有其他传感器为频率信号。主控站中的控制器选用的西门子S7300系列的PLC，模块的内部线路隔离电压为600V，主控站内部本安电路和非安电路之间的隔离要求为2500V，因此必须选择隔离耦合电路。考虑到主控站内部空间有限，笔者选用了HCNR201线性光耦器件，电路则包含本文以上介绍的两种典型应用电路，实际测试，主控站电路本安信号和非安信号之间绝缘电阻不小于50MΩ,湿热试验后绝缘电阻不小于1.5 MΩ，工频耐压2500V，持续1分钟，漏电流小于1mA;加载模拟信号测试，误差可控制在1%以内。

　　五、参考文献：

　　[1] HCNR200/201 Technical Data, Agilent Technologies.

　　[2]张宝生.基于高线性模拟光耦器件HCNR200的模拟量隔离板[J].仪表技术，2005,(5):59 - 60.

　　[3]杨小晨.高精度线性光耦器件HCNR200/201及其应用[J].仪器仪表用户，2003,(5):41 - 42.