基于线性光电耦合器的电流检测电路

1、基于线性光电耦合器的电流检测电路赵云丽,欧阳斌林*,李晓辉(东北农业大学工程学院,黑龙江哈尔滨150030摘要:利用线性光电耦合器HCNR200和运算放大器TLC2262,设计了智能开关电源的电流检测电路。电路具有良好的线性度和高准确度;电路结构简单,实验效果好。关键词:HCNR200;线性隔离;线性度中图分类号:TP33;TP214+.1文献标识码:A随着计算机技术的发展,由微控制器控制和管理的智能化电源已经成为现代电源技术发展的主要潮流之一。在电源设计的过程中,如果电源本身的电磁兼容性(EM C不解决,那么微控制器系统也极易受到干扰。基于这一点,电源工程师做了大量的工作,如屏蔽、接地、隔离

2、等,其中光电隔离技术以其优良的抗干扰性能(光信号是不受电磁干扰的而在电源技术中得到了广泛的应用1。早期的光电耦合器由于受到工艺的限制而速度较低,从而使应用范围受到了限制。随着高速光电耦合器甚至光电集成电路的出现,其应用范围已经跨越光电隔离而在电源技术的各个领域如线性隔离、电量反馈、电流传感、电量变换等方面都有成功的应用2-3,从而给电源的设计带来了极大的方便。智能化电源本身就是一个自动控制系统,而要实现自动控制的关键依据就是实时数据采集与状态识别,此外为能了解电源的运行情况,也需要实时地监测各种参数,因此,在电源系统中,电量的采集是非常重要的。而各种电量的采集都可转化为直流电压的采集,在不需要

3、隔离的情况下,直流电压的测量时较容易,只要采用比较简单的电阻分压取样即可;但是大部分情况下,需考虑电气隔离和测量精度,采用高精度的线性光电耦合器即可取得很好的效果。本文利用线性光电耦合器HCNR200构造电量采集电路,实现对开关电源输出电流的检测,输出跟随输入变化。1线性光电耦合器H C N R200简介线性光电耦合器HCNR200由发光二极管D1、反馈光电二极管D2和输出光电二极管D3构成,其工作原理为:当驱动电流I F流过发光二极管D1时,D1发出红外光(伺服光通量,反馈光电二极管D2捕捉D1的一部分电流,从而产生控制电流I P1,该电流用来调节I F以补偿D1的非线性和漂移特性;同时输出

4、光电二极管D3产生一个输出电流I P2,这一电流与D1发出的伺服光通量成线性比例。其内部结构如图1所示。这种先进的光电二极管调整设计确保了光电耦合器的高线性和稳定性。HCNR200可较好的实现模拟量和数字量之间的隔离,具有良好的稳定性和较高的线性度,并且测量频率范围宽(大于1M Hz。收稿日期:2004-07-17作者简介:赵云丽(1979-,女,黑龙江人,硕士研究生,研究方向为智能监测与控制。*通讯作者1. HCNR200Fig.1 The schematic of HCNR200I p1I p2I fPD1 ANOD E PD2 ANOD EPD2 CAT HODENCNCPD1 CAT

5、HODELE D ANOD ELE D CAT HODE?PD1?PD1?PD2?PD2?12348765D2 D3D1LED CATHODE发光管阴极发光管阳极LED ANODEPD1CATHODEPD1阴极PD1阳极PD1ANODE12345678D1D2I FI P1IP2D3NC无连接NC无连接PD2CATHODEPD2阴极PD2阳极PD2ANODE图1HCNR200结构Fig.1The structure of HCNR200第37卷第1期东北农业大学学报37(1:8285 2006年2月Journal of Northeast Agricultural University Feb

6、ruary2006文章编号1005-9369(200601-0082-04输入电压V A (VInput voltage 123456789输出电压V B (V输出电压变化量V B (VOutput voltage variety输入电压V A (VInput voltage 12345678输出电压V B (VOutput voltage variety5.2320.4702线性光电耦合器的线性测试根据线性光电耦合器的典型应用电路搭建实验电路(如图2所示,测试线性光电耦合器的特性。具体实验方法是:在A 点输入线性变化的电压V A ,测量B 点的输出电压V B ,从而得到输出电流变化量I P1

7、与输入电流变化量I F 的关系。由于HCNR200的内部结构使其电流的传输率(CTR 很低,为了验证这一特性,做了一组实验:当电阻R 1=510时,V B m ax =2.7mV ;R 1=1K 时,V B m ax =5.1mV ;R 1=5.1K 时,V B m ax =27mV ;R 1=10K 时,V B m ax =50mV ;R 1=20K 时,V B m ax =110mV ;R 1=51K时,V B m ax =270mV 。可以看出B 点的输出电压V B 很小,因此要得到一个满意的输出电压,R 1取值很重要,也就是说R 1的阻值要足够大。下面以一组实验数据说明其特性(电路中的

8、电阻值R 1=100K ,R 3=510,如表1所示。根据表1中的实验数据可得出输入电流变化量I F =V A /R 3=1.96mA 和输出电流变化量I P1=V B /R 1=8.1A ,进而计算出正相增益K 1=I P1/I F =0.5A mA -1。实验又对线性光电耦合器SLC800做了线性测试,比较两种线性光电耦合器的线性度,实验数据如表2所示(电路中的电阻取值R 1=100K ,R 3=510。2. Fig.2 The linear test circuit diagram 123465R 1R 31V cc+R 22V cc+IfI p 1Ip 2P K 1K 2V A B V

9、 V C C1234156K 2K 12Vcc+1Vcc+I P1I P2I F R 1R 2VC V BV A R 3P图2线性测试电路Fig.2The linear test circuit从表1,2中的数据得出,SLC800的线性范围在输入电压为29V 之间,HCNR200的线性范围在输入电压为28V 之间,线性范围相差不大,但SLC800的线性度不如HCNR200的线性度好。所以本电流检测电路采用HCNR200作线性隔离的光电耦合器。表1HCNR200线性测试实验数据Table 1The linear testing experimental data of HCNR200表2SLC8

10、00线性测试实验数据Table 2The linear testing experimental data of SLC800C 1赵云丽等:基于线性光电耦合器的电流检测电路83第1期3电流检测电路的设计本文基于HCNR200的典型应用电路构造了电流采样电路,实现对开关电源输出电流的实时检测。电路的采样电压由运算放大器的正相输入端加入,产生驱动光电耦合器的驱动电流I F,从而产生反馈电流I P1和正相电流I P2,I P1的大小与I F的大小呈线性关系(I P1=K1×I F,I P2的大小与I F的大小也呈线性关系(I P2=K2×I F。运算放大器为发光二极管提供驱动电

11、流,从而使其正负输入电位相等(V a=V b;而光电耦合器的反馈光电二极管和输出光电二极管的特性一致,使电路中的R2两端的电压等于V a(R1=R2,从而实现了模拟电压从输入到输出的隔离转换。电路的设计中,由于HCNR200的内部结构使其电流的传输率(CTR很低,大约为0.005,实验已经验证。因此R1的阻值要足够大,否则运算放大器的负相输入端电压将被限制的很低,无法跟随正相输入端的电压实现负反馈;而输出电阻R2的选择可根据输出电压范围的要求选择;限流电阻R3的选择可根据R3=K1×R1求得。此外在电阻的选择上,还要考虑输入电压的等级选择最匹配的阻值,力求获得最佳线性度。电路中的运算

12、放大器的正负相输入电位相等,要求电流I P1要完全流过R1,因此要求运算放大器负相输入端要有很高的阻抗。而HCNR200又是电流驱动,其驱动电流要求在120mA,因此运放的驱动电流也必须达到20mA,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,因此运算放大器的选择对整个电路的性能影响很大。在运算放大器的选择中也作了比较实验,分别将TLC2262、LM358与HCNR200连接,调节运算放大器的正相输入电压V a,测量其负相输入端电压V b以及HCNR200的输出端电压V c。实验数据表明,虽然TLC2262的输入电压范围比LM358的输入范围小,但TLC2262线性度要优于LM

13、358。因此本设计电路采用了单电源供电的集成运放TLC2262,其输出电流为50mA。此外由于经光电耦合器输出的电压也是有一定范围的,电路的输出端再加一级运放并且加一电位器,从而调节输出电压使其在A/D采集电压的量程范围内,满足测量要求。表3电流检测电路的实验数据Table3The experimental data of current detecting circuit表3中的数据为电流检测电路的实验数据,从表中数据可知最大相对误差为4%,说明检测电路具有较高的准确度。下面对线性度进行分析:线性度是测量系统静态特性对选定拟合直线y=b+ kx的接近程度,它表示为L=|m|/m100%,式中

14、|m|为静态特性与选定拟合直线的最大偏差,m 为y的限量值。本实验中的拟合直线为V c= 0.5V a,V a的限量值m为1.2V,最大偏差|m|为0.002V,从而计算出线性度为1.7%,检测电路线性度好。正相电压V a(V Position phase voltage负相电压V b(VNegative phase voltage输出电压V c(VOutput voltage负相变化量V b(VVariation of negativephase voltage输出变化量V c(VVariation of outputvoltage84东北农业大学学报第37卷Design of curren

15、t detecting circuit by linear optocouplerZHAO Yun-li ,OUYANG Bin-lin ,LI Xiao-hui(Engineering College,Northeast Agricultural University ,Harbin Heilongjiang 150030,PRC Abstract:The DC current detecting circuit of the intelligent switching power is designed by linear optocoupler HCNR200and amplifier

16、TLC2262.The circuit has better linearity and high accuracy,additionally,its structure is simple,and the experimental result is better.Key words:HCNR200;linear isolation;linearity4结论应用线性光耦合器HCNR200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。将该器件用于开关电源的输出电流检测中,电流反馈准确可靠,在实现电流闭环控制中发挥了重要作用。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。可以工