基于线性光耦HCNR200的电流检测电路设计与实现

1、基于线性光耦HCNR200的电流检测电路设计与实现浙江大学生仪学院 生物医学工程 * 学号*摘要本文主要介绍了惠普公司的高线性度模拟光耦HCNR200的基本结构及工作原理。利用该器件设计了一种模拟信号隔离来对医疗设备中电流检测的硬件电路，较好地解决了设备中高电压、强电流很容易串入低压器件会将其烧毁的问题。线性光耦HCNR200可以较好地实现模拟量与数字量之间的隔离，隔离电压峰值达8000V；输出跟随输入变化，线性度达0.01。在高稳定性、高线性度的模拟信号隔离的场合具有广泛的应用前景。关键词线性光耦 HCNR200 模拟隔离 电流检测1 引 言在自动化检测系统、计算机数据采集系统、医疗设备控制

2、系统等诸多工业测量中，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。在信号采集的过程中，各种干扰信号都会随着被测量信号进入数字控制系统，这些信号迭加在有用的被测信号上会使测量的准确度降低，造成控制系统的不稳定。为了实现电平线性转换以及不把现场的电噪声干扰引入到数字控制系统中来，必须将被测电路和控制电路在电气上实现隔离，光电隔离法和隔离放大器法是两种常用的模拟信号隔离方法。隔离放大器内部集成有高性能

3、的输入输出放大器、调制解调器、信号耦合变压器等单元器件，通常采用磁耦合方法使放大器的输出和输入之间没有电气联系，从而隔离了干扰源，抑制了干扰信号，完成对信号的放大。隔离放大器具有完全浮动的输入端和独立隔离的输出端，并有良好的线性度和稳定性，还有较高的隔离电压和共模抑制比。但是隔离放大器对于支流信号却不适用，价格比较高，只适用于要求较高的场合。光电隔离是常用且方便有效的隔离方法，它是通过光电之间的相互转换，并利用光作为媒介进行信号传输，在电气上使测量系统与现场信号完全隔离。光电隔离可以减小现场信号线以及地线干扰对系统的影响，保证系统安全。此外，由于光电耦合器的输入阻抗小于干扰源的内阻，因而使迭加

4、于被测量信号上的干扰信号被极大地衰减，基本无法进入测量系统，从而保证测量的准确度。光电隔离又分数字光电隔离和模拟光电隔离两种。数字光电隔离模拟信号成本低，但由于数字光隔本身的非线性和光隔器件之间的非一致性，使得这种隔离电路线性度不高，只适用于要求不太高的场合。而模拟光电隔离器在结构上比隔离放大器要简单，价格比隔离放大器要低。其使用的光电器件的材料和工艺与数字光电隔离器不同，线性度比数字光隔有相当大的提高。在本实验中由于对系统精度、线性度和稳定性的要求，本实验采用结构简单，性价比较高的模拟光电隔离法进行光隔，选用惠普公司的高线性度模拟光锅器件HCNR200对设备电流电路进行隔离与检测。2 HCN

5、B200的基本结构和工作原理HCNR200是美国惠普公司推出的高精度线性光耦，具有低成本、高线性度、高稳定度、频带宽、设计灵活的优点，通过外接不同的分立器件，可以实现多种光电隔离转换电路。HCNR200由3个光电元件组成，其内部结构如图1所示。其中LED为高性能的AlGaAs型发光二极管，PDl、PD2是两个用同种工艺制成从而具有严格比例关系的光敏二极管。当LED中流过电流If时，其所发出的光会在PD1和PD2中感应出正比于LED发光强度的光电流IPD1、IPD2，其中If、IPD1、IPD2满足以下关系 式中K1、K2分别为输入、输出光电二极管的电流传输比，其典型值均为05左右(025075

6、)。因为If一般在l20mA之间，所以IPD1、IPD2一般在50uA以下。K3为传输增益，当一只HCNR200被制造出来后，其输出侧光电流和输入侧光电流之比就是一个恒定值K3，HCNR200的传输增益K3约为l土0.15。图1 HCNR200内部结构原理图使用该芯片时，发光二极管LED与光电二极管PDl组成隔离转换电路的输入部分并形成负反馈，用来检测和稳定发光二极管发光的强度。PD2则构成隔离转换电路的输出部分。由于整个电路输入部分构成负反馈回路，因而只要负反馈通道的LED和PD1关系确定，隔离转换电路的输入部分就稳定。又因为PD 1与PD2严格成比例，则可通过适当的电路使输出信号与输入信号

7、有稳定的比例关系。总之，PD1和PD2安装位置的精确性及两者严格比例关系、负反馈电路的应用以及元件先进的封装设计保证了HCNR200的高线性度和传输增益的高稳定性。3 HCNR200典型应用电路分析图2所示为用HCNR200实现一个简单隔离放大器的基本应用电路。运算放大器Al构成负反馈放大电路，PDl接在A1的输入端，完成对LED输出光信号的检测，并自动调整通过LED的电流，以补偿LED光强随温度变化引起的非线性，因此该反馈放大器主要用于稳定LED的光输出并使其线性化。A2构成电流电压转换电路A2和及R2将IPD2转换为电压输出。R3为LED的限流电阻，C1、C2为起反馈作用，用于改善电路的高

8、频特性，提高电路的稳定性，消除自激振荡，滤除电路中的毛刺信号，降低电路的输出噪声，其容值可根据电路的频率特性来选取。设IED两端的电压为VLED，A1输出端电压为Vo1，根据运放“虚短”和“虚断”特性，有：由上式可得，IPD1仅仅决定于V in以及R1的值，与LED的输出光强特性无关。该隔离放大器电路的V out与V in也成线性关系，也与LED的输出光强无关。由于K3约等于1，所以只需通过调整R1和R2的比值，即可改变此隔离放大器的传输增益。图2 HCNR200应用电路4 电流检测电路4.1 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3所示，信号为正极性

9、输入，正极性输出。隔离电路中,R1调节初级运算放大器的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中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增益有一定影响,虽然减小C1的值可以拓展带宽,但是，会影响初级运算放大器的增益,同时,初级运算放大器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,对控制通道增益起一定作用。图3 光电导模式下的电流检测电路4.2 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

10、图4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的作用基本相同。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4 光电压模式下的电流检测电路设计4.3 运

11、算放大器的选择 HCNR200/201是电流驱动型器件,其LED的工作电流为1mA20mA,因此，运算放大器A1的驱动电流也必须达到20mA,能达到这种输出电流能力的运算放大器输出级一般为双极型，因此，选双极型运算放大器较合适。同时,根据输入电压范围,也要求运算放大器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的HA17324集成运算放大器,其输出电流可达40mA。 4.4 电阻器的选择 下面讨论光电导模式下电阻器的选择。 A1组成驱动级的等效电路如图5所示。图中，Rf是等效反馈电阻器。该等效电路是典型的同相型放大器,故U=U,且U=Vin,因此Vin=U。 图5 驱动级的等效电路&#

12、160;   由图3显而易见，   式中，VD1为D1的正向压降。 由图5可见,  故将式(3)代入式(4)    由于器件参数的离散性,I1近似等于0.005If，K3=I2/I11，所以，R1、R2、R3尚需在估算值附近调整,力求获得最佳线性度。  但经调节后，最佳线性度为220。 5 总结 应用线性光耦合器组成的模拟信号隔离电路的线性度好，电路简单，有效地解决了模拟信号与单片机应用系统的电气隔离问题。若驱动级、缓冲级采用组合型运算放大器,可使线性度提高。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。采用两片HCNR200可以工作在双极性输入/双极性输出模式；同时，还可以工作在交直流电路、变换器的隔离、热电偶的隔离、4mA20mA模拟电流环发射/接收等多种模式下，可广泛应用在医疗设备、数字通讯、开关电源、测量和测试工业过程控制等方面。将该器件用于电机电流测量，电流反馈准确、可靠,在