電子工程師評(píng)職范文線性光耦的應(yīng)用

　　[摘要]本文介紹了線性光耦器件的特性及工作原理，分析了該類(lèi)器件用于模擬信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換的典型電路，給出線性光耦在煤礦電氣產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例。

　　關(guān)鍵詞：線性光耦,光電隔離,核心期刊征稿,HCNR201

　　引言：

　　煤礦井下環(huán)境一般比較惡劣，為了適應(yīng)井下的特殊環(huán)境，煤礦電氣產(chǎn)品的設(shè)計(jì)在電氣間隙、爬電距離、信號(hào)隔離等方面較普通電氣產(chǎn)品要嚴(yán)格的多。本文將介紹線性光耦隔離技術(shù)在煤礦電氣產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用。

　　一、概述

　　煤礦井下傳感設(shè)備采集的環(huán)境參數(shù)信號(hào)和一些大型開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備的監(jiān)視控制信號(hào)多是本質(zhì)安全信號(hào)，這些信號(hào)無(wú)故障和不失真?zhèn)鬏斒潜ＷC煤礦井下安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)可靠運(yùn)行的保證。井下環(huán)境中有很多因素會(huì)導(dǎo)致此類(lèi)信號(hào)的失真，如接地環(huán)路問(wèn)題、測(cè)量回路相互連接問(wèn)題、電磁干擾問(wèn)題等等。隔離技術(shù)可以有效解決以上問(wèn)題。對(duì)于數(shù)字信號(hào)的隔離，光電隔離是常用的信號(hào)隔離形式，光電隔離中光電耦合器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，以光為信號(hào)傳輸介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與控制裝置的完全隔離。對(duì)于模擬信號(hào)，光耦因?yàn)檩斎胼敵龅木€性較差，并且隨溫度變化較大，一度限制了其在模擬信號(hào)隔離的應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，高精度、高線性度的線性光耦的出現(xiàn)，加速了光隔離技術(shù)在模擬信號(hào)隔離電路廣泛應(yīng)用。

　　二、線性光耦

　　基本原理：

　　線性光耦組成的隔離電路本質(zhì)上也是一種光耦和隔離放大器，它的隔離原理與普通光耦沒(méi)有差別，只是將普通光耦的單發(fā)單收模式稍加改變，增加一個(gè)用于反饋的光接收電路用于反饋。這樣兩個(gè)非線性的光接收電路，通過(guò)反饋通路的非線性來(lái)抵消直通通路的非線性，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)線性隔離的目的。常用的線性光耦有Agilent公司的HCNR200/201，CLARE公司的LOC110，TI公司的TIL300，SSOUSA公司的SLC800等。

　　內(nèi)部構(gòu)成及特性：

　　LED為AlGaAs發(fā)光二級(jí)管，PD1和PD2為兩個(gè)匹配的光敏二級(jí)管，二極管反向電流與接收到的光強(qiáng)度成正比。隔離信號(hào)由1、2腳輸入，電流IF流過(guò)LED，LED發(fā)光被PD1和PD2接收，耦合電流IPD1和IPD2與電流IF成線性關(guān)系，線性系數(shù)分別為K1= ，K2= ，K1與K2一般很小其典型值均在0.05%左右。并且K1、K2隨溫度變化較大，但這并不影響信號(hào)的傳輸，因?yàn)檎嬲绊戄斎胼敵鲂盘?hào)比值的是二者的比值K3(傳輸增益)，在一個(gè)芯片制造出來(lái)之后，K3=IPD2/IPD1就為一個(gè)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的值為1±0.25)，線性光耦正利用這種特性才能達(dá)到滿意的線性度的。

　　線性光耦隔離的一些重要指標(biāo)如下：

　　Ø 線性度高：可以達(dá)到0.01%;

　　Ø 輸入輸出范圍可達(dá)0～15V

　　Ø 信號(hào)帶寬：直流到大于1MHz。

　　Ø 隔離電壓高：最高可達(dá)5000VDC/min，最大絕緣工作電壓可達(dá)1414V;

　　三、典型應(yīng)用電路

　　(一)電壓信號(hào)的隔離VIN/VOUT

　　輸入端電壓為Vin，輸出端電壓為Vout，光耦保證的兩個(gè)電流傳遞系數(shù)分別為K1、K2，傳輸增益為K3,此電路中輸入和輸出之間關(guān)系為：Vout=K3 (根據(jù)運(yùn)放電路的特性，具體推導(dǎo)過(guò)程這里不再贅述)，可根據(jù)需要放大的倍數(shù)設(shè)置R1和R2的值，如果不需要放大，只需將R2=R1即可。外圍器件選擇及參數(shù)確定方法如下：

　　1、選擇運(yùn)放芯片：首先電路設(shè)計(jì)要求確定Vcc，這里選擇Vcc=5V;根據(jù)輸入信號(hào)的范圍及形式確定運(yùn)放類(lèi)型，這里設(shè)輸入為0-5V之間的電壓信號(hào)，為方便設(shè)計(jì)者自行控制電氣間隙和爬電距離，最好選擇單個(gè)運(yùn)放芯片。LMV321單運(yùn)放芯片可以滿足以上要求。

　　2、確定IFmax：HCNR200/201的手冊(cè)上推薦器件工作的10mA左右;

　　3、確定R3: 手冊(cè)上的光耦二極管的壓降為1.6V,所以R3=(5V-1.6V)/10mA=340

　　4、確定R1，R2: 因?yàn)槭謨?cè)上的K1=IP1/IF系數(shù)是從0.25%到0.75%，典型值是0.5%，取最小值為0.25%，則IP1=K1*IF=0.5%*10mA=0.05mA，輸入電壓范圍是0-5V,所以 R1=5V/0.05mA=100K，根據(jù)電路要求，若輸出等于輸入，那么R2=R1=100K。根據(jù)實(shí)際需求選擇是否需要精密電阻。

　　(二) 電流電壓信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換Iin/Vout

　　器件選擇和參數(shù)確定方法和電壓信號(hào)的隔離應(yīng)用電路中的方法來(lái)類(lèi)似，這里不再詳述。

　　四、應(yīng)用實(shí)例：

　　筆者在設(shè)計(jì)膠帶輸送機(jī)保護(hù)裝置的時(shí)，需要將皮帶保護(hù)相關(guān)的幾個(gè)傳感器傳送到現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)采集到主控站PLC中，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。其中，堆煤傳感器輸出是0～5V電壓信號(hào)，溫度和電機(jī)電流均為4～20mA電流信號(hào)，還有其他傳感器為頻率信號(hào)。主控站中的控制器選用的西門(mén)子S7300系列的PLC，模塊的內(nèi)部線路隔離電壓為600V，主控站內(nèi)部本安電路和非安電路之間的隔離要求為2500V，因此必須選擇隔離耦合電路。考慮到主控站內(nèi)部空間有限，筆者選用了HCNR201線性光耦器件，電路則包含本文以上介紹的兩種典型應(yīng)用電路，實(shí)際測(cè)試，主控站電路本安信號(hào)和非安信號(hào)之間絕緣電阻不小于50MΩ,濕熱試驗(yàn)后絕緣電阻不小于1.5 MΩ，工頻耐壓2500V，持續(xù)1分鐘，漏電流小于1mA;加載模擬信號(hào)測(cè)試，誤差可控制在1%以內(nèi)。

　　五、參考文獻(xiàn)：

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

　　[2]張寶生.基于高線性模擬光耦器件HCNR200的模擬量隔離板[J].儀表技術(shù)，2005,(5):59 - 60.

　　[3]楊小晨.高精度線性光耦器件HCNR200/201及其應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2003,(5):41 - 42.