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摘 要：本文介绍新型精密线性光耦器件HCNR200的工作原理，并且给出了两种用 HCNR200和运算放大器实现的检测电机电流的隔离传输电路，并推导出其外围电阻的计算方法。
关键词：线性光耦 线性隔离 模拟信号 线性度 HCNR200
现代电气测量、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％。
HCNR200/201简介
HCNR200型线性光耦的原理如图 1所示。它是由发光二极管 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 = 0.005 If )。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
。
图1 HCNR200结构示意图（略）
电流检测电路
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调节初级运放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通道增益有一定影响，虽然减小C1的值可以拓展带宽，但是这样会影响初级运放的增益，同时，初级运放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，从而对控制通道增益起了一定作用。
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 。
图2 光电导模式下的电流检测电路（略）
图3 光电压模式下的电流检测电路（略）
图4 驱动级等效电路（略）
运放的选择
HCNR200/201是电流驱动,其LED的工作电流要求为 1~ 20mA，因此运放A1的驱动电流也必须可以达到20mA，能达到这种输出电流能力的运放一般其输出级为双极型，因此选双极型运放较合适。同时，根据输入电压范围，也要求运放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HA17324集成运放,其输龅缌骺纱?0mA。
电阻R1、R2、R3的选择
下面将以在光电导模式下电阻的选择加以讨论。
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。该等效电路是典型的同相型放大器，故 U+ =U-，且 U+ =Vin,则Vin
=U+ =U-。
由图 2显见：
I f ＝ (Vo1－VD1) / R2 (1)
式中 VD 1为 D1的正向压降。
由图4显见：
If ＝ U- / R1
因为 If ＝ 0.005I1 ，所以
(Vo1－VD 1) / R2 ＝ 200U- / R3
将式 ( 1 )代入上式
（Vo1－VD 1）/ R2 ＝ 200 Vin / R1 ，则
Vo1－VD 1 ＝ 200 Vin R2 / R1
令 R1＝200R2 ，则
Vo1=Vin +VD1 (2)
因为R2 =（Vo1－VD1）/ I1
将式 ( 2 )代入上式
R2=Vin / I1
R3的估算：
由图 2得
Vout ＝I2 R2
由图 2及式 ( 1)得
Vin = I1 R1
因为是线性光耦合器模拟信号隔离电路，所以令
Vout = Vin,则
I2 R2 = I1 R1
又因为 K3 = I2 / I1 = 1,所以 R2= R1。
由于器件参数的离散性， I1 近似等于 0.005 If ，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。
例如，本设计中，Vin＝0 ～ 10V， Vcc1=Vcc2=15V。
R1＝Vin / I1＝10 / (20 10－3 0.005)＝100 103
R2＝R1＝100 103
R3＝R1 0.005＝500 ，但经调节后，最佳线性度时为220 。
结论
(1)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。
(2)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。利用两片HCNR200，可以工作在双极信号输入双极性输出模式；同时，其还可以工作在交直流电路、变换器的隔离、热电偶的隔离、4~20mA模拟电流环发射／接收等多种模式下,因而可广泛应用在数据通讯、电压电流检测、开关电源、测量和测试工业过程控制等方面。
(3)将该器件用于电机电流测量中,电流反馈准确可靠,在实现电流闭环控制中发挥了作用。
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