光耦合器作为一种照明电路设计过程中不可或缺的重要电子元件,其本身的工作原理和结构情况是需要工程师们牢固掌握的。就目前的应用情况来看,HCNR200型号的光耦合器作为一种高精度线性光耦,具有低成本、高线性度、高稳定度等多种优点,能够完成多种光电隔离转换电路的设计。
市场上的线性光耦有几中可选择的芯片,如Agilent公司的HCNR200/201,TI子公司TOAS的TIL300,CLARE的LOC111等。这里以HCNR200/201为例介绍
Agilent公司的HCNR200/201的手册上给出了多种实用电路,其中较为典型的一种如下图所示:
设输入端电压为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,显然,,和之间的关系取决于和之间的关系。
将前级运放的电路提出来看,如下图所示:
运算放大器A1用以调节流过LED的电流(IF),进而控制PD1中的电流(IPD1),从而使得其同向输入端(+端)的电压为0V。当VIN增大时,A1的“+”输入电压会变大,而IF、IPD1会随之变大,根据PD1的接法,由于运放没有电流输入,VIN经R1和PD1到地,IPD1增大导致R1上的分压增大,从而使A1的“+”输入电压会回落,仍然保持到0V,反之亦然。
可知:IPD1=VIN/R1
在输出端,运放A2将电流IPD2转换回电压VOUT,且VOUT= IPD2*R2。 则:VOUT/VIN=( IPD2*R2) /( IPD1*R1) =K3*(R2/R1)
由于K3为定值,因而,VIN和VOUT之间的关系为线性的,且与LED的光通量无关。其增益调整可以通过调节R1和R2的值实现。
实际应用电路
图2中的典型电路虽然符合原理,但在实际应用时还需要一些额外的器件来稳定输入极电流、限制LED的电流以及优化电路性能等。
在图3中,C1可以防止电路产生震荡,虑除电路中的毛刺,避免LED受到意外损坏。不过在高频应用时,C1的存在对通道增益会有一定影响,应根据工作频率具体选择C1的值。
R2可以控制LED的发光强度,从而对控制通道增益起一定作用。
另外由于光耦会产生一些高频的噪声,所以一般在输出电阻R3处并联电容C3,构成低通滤波器,具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。
参数选择
运放可以是单电源供电或正负电源供电,图3给出的是单电源供电的例子。为了使输入范围能够从0到VCC1,需要运放能够满摆幅工作,另外,运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。市场上的LMV321、HA17324等运放基本都能够满足以上要求,可以作为HCNR200的外围电路。
电阻的选择需要考虑运放的线性范围和线性光耦的工作电流IF。K1已知的情况下,IF
又确定了IPD1的值。
在图3中,假设确定VCC1=5V,输入在0-3.5V之间,输出等于输入,下面给出参数确定的过程。
1)确定IF:HCNR200是电流驱动型,其LED的工作电流要求为 1--40mA,数据手册推荐工作电流为25mA,因而,此处取IF=25mA。
2) 确定R2:R2=VCC1/IF=200Ω。 3) 确定R1:R1=VIN/IPD1=VIN/(K1*IF)=3.5/(0.005*25)=28KΩ。 4) 确定R3:R3=R1=28KΩ。
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之间电气隔离问题。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。
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