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线性光耦的工作原理

线性光耦的工作原理
来源:网络整理 时间:2019-10-29

线性光耦介绍

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。

对于高频交流模拟信号,变压器隔离是常见的选择,但对于支流信号却不适用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案,如ADI的AD202,能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度,但这种隔离器件内部先进行电压- 频率转换,对产生的交流信号进行变压器隔离,然后进行频率-电压转换得到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂,体积大,成本高,不适合大规模应用。

模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样,虽然两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电路的非线性特性都是一样的,这样,就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。

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。

HCNR201的结构及工作原理

HCNR201光电耦合器是一种由三个光电元件组成的器件,主要技术指标如下:

具有±5%的传输增益误差和±0.05%的线性误差;

具有DC~1MHz的带宽;

绝缘电阻高达1013Ω,输入与输出回路之间的分布电容为0.4pF;

耐压能力为一分钟5000V,绝缘工作电压为1414V;

具有0~15V的输入/输出范围。

HCNR201光电耦合器的内部结构如图1所示,其中LED为铝砷化镓发光二极管,PD1、PD2是两个相邻匹配的光敏二极管,这种封装结构决定了每一个光敏二极管都能从LED得到近似的光照,因而消除了LED的非线性和偏差特性所带来的误差。当电流流过LED时,LED发出的光被耦合到PD1与PD2,从而在器件输出端产生与光强成正比的输出电流。

图1 线性光耦hcnr201内部结构

在使用时,可将第3、4输出端与第1、2输入端一起接入控制回路,其中第3、4端的光敏二极管起反馈作用,它可将产生的输出电流再反馈到第1、2端的LED上,以对输入信号进行反馈控制。

工作原理

hcnr201的led、pd1及运放a1等组成隔离电路的输入部分,pd2及运放a2等组成隔离电路的输出部分。设隔离电路输入电压为vin,输出电压为vout,led上电流为if,二极管pd1上产生的电流为ipd1,二极管pd2上产生的电流为ipd2,如图2所示。

隔离电路中pd1形成了负反馈,当有电压vin输入时,运放a1的输出使led上有电流if流过,且输入电压的变化体现在电流if上,并驱动led发光把电信号转变成光信号。led发出的光被pd1探测到并产生光电流ipd1。同时,输入电压vin也会产生电流流过r1。假定a1是理想运放,则没有电流流入a1的输入端,流过r1的电流将会流过pd1到地,因此,ipd1=vin/r1。注意,ipd1只取决于输入电压vin和r1的值,与led的光输出特性无关。又因led发出的光同时照射在两个光敏二极管上,且pd1和pd2完全相同的,理想情况下ipd2应该等于ipd1。定义一个系数k,有ipd1=kipd2,k约为1±5%(当芯片制作完成后随之确定)。运放a2和电阻r2把ipd2转变成输出电压vout,有vout=ipd2r2,组合上面的3个方程得到输出电压和输入电压关系:vout/vin=kr2/r1,因此,输出电压vout具有稳定性和线性,其增益可通过调整r2与r1的值来实现,通常取r1和r2的值相同。

隔离电路中电阻r1起限流作用。r3用于控制led的发光强度,从而对控制通道增益起一定作用。电容c1、c2为反馈电容,用于提高电路的稳定性。运算放大器a1的作用是把电压信号转变成电流信号,运算放大器a2的作用是把光耦输出的电流信号转变为电压信号,并增强负载驱动能力。

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