开关量输入输出的隔离技术

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信号是不确定的,从而引起转换器输出的不确定性误差, 直接影响转换精度
要求输入模拟量在整个模数转换过程中被“冻结”起来,
保持不变。但在转换之后,又要求A/D转换器的输入端能跟
踪输入模拟量的变化,能完成上述任务的器件叫采样/保持
电路,简称采/保(S/H)。
最基本的采/保电 路由模拟开关,保持 电容和缓冲放大器组 成
输出电压5V/3.3V/3V
低电池电压检 测输入
低电池电压检 测输出
图4.9 MAX639/MAX640/MAX653的电路连接
16
适于A/D转换器或模拟放大器使用的,通常是双电源输出型。MAX743可提 供±12V或±15V的对称电压,MAX743的最大电流可达±100mA,
图中两个电感100μH、两个电解电容100μF和两个肖特基二极管1N5817
隔离电压高达2000V
共模抑制比(放大器输出功率与输入功率比值的对数,用以表示功率放 大的程度。亦指电压或电流的放大倍数,通常以分贝(dB)数来规定。)高130db, 信号最高频率5KHZ
供电电压15V,可提供±7.5V电源(0.4mA/2mA) (2)MAX210(三端口宽频带隔离放大器 )——3端口,变压器耦合
高频逻辑门专用隔离电路
简单化是逻辑电路
在6N136的基础上,将输出电路做成与TTL兼 容的标准逻辑电路,这就是6N137 ,6N137典 型应用
29
同相输入
30
反相输入
31
应用举例AD210的16、17两引脚连接在一起,可实现信号跟踪
功能。18、19两引脚之间通过电阻Ra接信号源Vs,18脚和Vs共地。 脚1和脚2为输出引脚,Rb为输出负载电阻(使用时可选Ra=Rb=1 kΩ)。 该电路可实现1:1的隔离传输功能。
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3、高频逻辑门专用隔离电路
脚为低压调整端。当工作电压低于3.5V时,6脚应接地,否则浮空。
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图4.8 ICL7660的泵电容连接
低电压器件供电器件工作时需在输出端增加三个元件:一个二极管、一个 电感、一个电解电容。为使器件能提供最大输出电流,电感应选用100μH, 电容应选用100μF,二极管可以使用常用的1N5817或相当的肖特基二极管。
(1)MAX742 输入:4.2V~10V 输出:±12V, ±15V, ±2A
(2)MAX743 输入:5V 输出: ±12V, ±15V, ±100mA
MAX743的最大电流可达±100mA,而 MAX742的最大电流则可达±2A
集成运算放大器、AD转换器常用双电源
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ICL7660(A)提供从 1.5V到10.0V的互补电压,以电荷泵原理工作,需外接泵 电容两个。泵电容通常选用10μf的电解电容。7脚为振荡器输入,不接时使 用内部振荡器。也可外接电容以降低振荡频率。降低振荡频率时泵电容的 容量应加大,加大到100μf可保证任何振荡频率都能正常工作(最低1kHz)。6
则开关时间会大4~5倍,则开关频率就降低4~5倍。不应该省略该电阻。
图4.5 4N35负载电阻及基极-发射极电阻对开关时间的影响
9
影响工作频率的因素: (1)负载电阻,越小,开关速度越快,最好不小于1000Ω (2)基极电阻,一般取50KΩ~100KΩ
VCC
VCC X
R1 4N35
R1
R3
DIN
LED+ B LED- C
VCC X
R1
DIN
6N136
R3 2.2KΩ
DOUT
7406
GNDX
74LS14
图4.7 用6N136的光隔电路
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4.2DC-DC变换器的应用
独立的直流电源是光电隔离电路的基本条件。DC-DC变换器通常可以提供
几毫安到数百毫安电流的各种隔离电压输出
► 从工作原理分,DC-DC变换器通常有电荷泵变压、脉宽调制变压、电荷 泵与脉宽调制组合变压、隔离变压器变压等多种。前几种的变压通常是 全电子的,因而输入与输出无隔离;后者通常可提供1000V以上的电压 隔离。
TLP521
ห้องสมุดไป่ตู้
图4.2 基本的光隔电路(b)
5
D1~D4用于输入状态的直观显示,R1~R4的输入限流电阻,使用1/4瓦电阻即可。不 使用D1~D4时,限流电阻取330Ω即可。输出上拉电阻功耗较小,可以使用排阻。要
求响应速度较高时,排阻阻值应适当减小。图中假设VCC和VCCX均为5V。
图4.3 实用的隔离电路输入
第四章 开关量输入输出 的隔离技术
开关量的输入输出隔离主要有两个目的: 电气隔离,防止被隔离两边的电噪声干扰; 电平转换,两边的工作电平、电源电压、信号极
性都可以不同。
1
4.1开关量输入端隔离
开关量的输入隔离一般使用光电隔离器件。可以使用的光电隔离器件很多,有许多
器件性能相近,普通开关量的输入隔离使用TLP521-X即可
图4.10双电源输出变换器MAX473的基本
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应用电路
2、隔离变压器型DC-DC变换
DC-DC变换器通常使用高频变压器(2~5kHz)隔离,再作整流及稳压器件体积
通常相对较大
Vin
+VOUT
Cin
Cout
100uf,25V
GND
-VOUT
图4.11 DC-DC变换器模块的使用电路
(1)固定电压输入(用于信号隔离)
TLP521
GNDX
图4.2 基本的光隔电路(a)
4
基本的光隔电路(二)
(1)此种接法更为常用
(2) VCCX=+5V时, R4去掉 VCCX=+12V时,R4取6.8K(或改用ULN2004) VCCX=+24V时,R4取20K(或改用ULN2002)
VCC
ULN2003
R3
VCC X
IN1
R4
100k 550Ω
DOUT
7406
NC
E
74LS14
GNDX
图4.6 可以工作到115.2波特的光隔电路
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(1)VCCX取5V时,负载电阻R3应取2.2KΩ~3.3KΩ
(2)74LS14用于整形,为保证输出波形为理想的方波,防止出现
干扰脉冲等非正常情况的发生,输出端使用施密特触发器对波形整形
VCC
特点及常见模块
(1)输入电流仅需5mA(有的更低),OC门输出,通信 速率可达10M波特以上,有极高的抗共模干扰性能和极高 的隔离耐压
(2) 有单路、双路、四路多种封装
图4.17 单路封装
图4.19 双路封装
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适用于多路逻辑隔离,如 并行A/D,D/A 特点:有极高的电流传输比(输出管 的工作电压为规定值时,输出电流和 发光二极管正向电流之比为电流传输 比CTR) , 达到1500%。发光二极管 最小驱动电流0.5mA, 5mA时工作频率最高
(4)MAX737 输入:4V~8.6V 输出:-15V
-15V输出可给LCD提供负偏置电压
单电源输出变换器
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双电源输出变换器
BUCK 降压型 是指输入电压大于输出电压 如12V->5V BOOST 则反之 5V->12V 单电源变双电源4.2V~10V直流电源变成双±12V, ±15V直流电源
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皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
► 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、 心、肺、肾等多脏器严重损害的, 全身性疾病,而且不少患者同时 伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如 下:
► 1、早期皮肌炎患者,还往往 伴有全身不适症状,如-全身肌肉 酸痛,软弱无力,上楼梯时感觉 两腿费力;举手梳理头发时,举 高手臂很吃力;抬头转头缓慢而 费力。
_
Vi S
A +
VO
Vc
CH
图8-38 采样/保持器原理 图
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增益1:1
25
反相输入
26
同相输入
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(2)AD210:
3端口,宽频带隔离放大器,频率20Hz、隔离电压2500V、输出阻抗低可提 供±15V电源(5mA)
供电 15V
图4.14 AD210结构框图
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增益1:1
图4.15 AD210的基本应用电路
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4.3专用隔离芯片及模块
1、RS-422/485隔离芯片
典型芯片及用途
隔离收发器
MAX1480——用于RS-485半双工网络 MAX1490——用于RS-422全双工网络 MAX3157——全双工或半双工,但不是真正的隔离
MAX3157的使用方便,仅需提供两个0.047μF的隔离电容。器件的隔离 电压为±50V。为保证该隔离电压,要求隔离电容的耐压必须高于50V。 该器件可以通过引脚选择工作在半双工方式或全双工方式,更重要的 是器件可以选择反相输出,当信号线正反接反时,可以自动倒相
隔离电压高达2500V
共模抑制比高120db,信号最高频率可达20KHZ 供电电压15V, 可提供±15V电源(5mA)
(3)ISO1001——光电耦合
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(1)AD202 :2端口,隔离电压2000V
图4.13 低成本线性隔离放大器AD202
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采样/保持电路
对于一个动态模拟信号在模拟转换过程中,输入的模拟
宽电压输入(用于未经稳压的输入电压)
(2)选取器件:1)根据输入、输出电压选取器件;2)输出电流应按系统最大工 作电流的1.2~1.5倍计算需要的功率,根据功率选用 (DC-DC变换器通常以输出功
率标注 );3)再次要注意器件输出电压是否已经过稳压,经过稳压的输出波纹有多大
(3)尽量选用经稳压的。稳压输出的DC-DC变换器的输出电压稳定度通常优于
► 集成电路DC-DC变换器 电荷泵变压、脉宽调制变压、前二者的组合变压
► 隔离变压器型DC-DC变换器 真正隔离
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1、集成电路DC-DC变换器
效率高、体积小、以小电流应用为主
(互补电压:电路生成两个模拟电压,用一种互补方式可以改变这两个电压。当 直通输出电压上升时,互补的输出电压下降,反之亦然。两个输出电压之和为 恒定值:VOUT+VOUTC=VREF)
1、廉价实用的TLP521-X
工作频率不高,一般限制在 10KHZ以内
TLP521-1
TLP521-2
图4.1 TLP521的各种封装及引脚排列
TLP521-4
2
A图输入高电平,输出高电平,输入低电平,输出低电平; b图输入高电平,输出低电平,输入低电平,输出高电平
图4.2 基本的光电隔离电路
3
基本的光隔电路(一)
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应用特点: 提供隔离 电容、隔 离电压 ±50V
隔离电容
图4.12 RS-485/RS-422 隔离集成电路
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2、模拟隔离放大器
隔离放大器按传输信号的类型。可以分为模拟隔离和开关隔离放大器。模 拟隔离放大器的生产商和产品种类均较少,且产品价格比较昂贵常见模块
(1)AD202/204(低成本线性隔离放大器) ——2端口,变压器耦合
6
TLP521的正常工作频率应限制在10kHz以下,在大于10kHz时,必须考虑负载电阻对 工作频率的影响。原则上,降低负载电阻阻值对工作频率的提高有利,负载电阻最 低可降至1kΩ。对波形要求较高的场合,工作频率应适当降低,并应在输出端加接 施密特触发器整形电路。
图4.4 TLP521的负载电阻对开关时间的影响
(1)R1可按驱动电流5~10mA, 选择驱动发光二极管的驱动器件任意,只 要能保证长时间提供5~10mA电流即可
(2) R2可取2.2K~10K,太小则电路功耗增大,太大则抗干扰能力减弱,且 关断时输出端的上升速度将减慢, VCCX=+5V时,R2可取3.3K
VCC
VCC X
R1 IN1
R2 DOUT
(1)ICL7660 Intersil公司 输出:1.5V~10V 输:互补电压(通常为正
电压入、负电压出) 主要用于单电源供电的A/D转换场合
(2)MAX640/MAX848Maxim公司 输入:5V 输出:3.3V,典型应用 为给低电压器件供电
(3)MAX735 输入:4V~6.2V 输出:-5V
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2、高频脉冲的隔离
对波形要求较高的场合,应使用高频特性好的光隔 如4N25(300KHZ)、4N35(300KHZ)、6N136(2MHZ)
4N35
6N136
光敏二极管的开关时间通常比光敏三极管小
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负载电阻越小,开关时间越短,光耦的开关速度越高。最小负载电阻可以小到500Ω。带基极 引脚的光耦,其基极应使用一电阻接到集电极,阻值以50kΩ到100kΩ为佳。如省略该电阻,
1%,交流波纹电压也很小,一般情况下可以直接使用。
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滤 使用DC-DC变换器模块非常方便,仅需在输入、输出端加上适当的滤波电容 波电容的选取
Vin
Cin GND
+VOUT
Cout
100uf,25V
-VOUT
5V~12V:Cin 100uf,25V 24V~48V:Cin 10uf,100V
器件功率增加时,输入、输出电容应相应增大。无稳压输出的DC-DC变换器使用时必 须注意:负载电流不可小于额定电流的20%,不足时应加装假负载(功率足够的电阻)。
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