HCNR200电压隔离

2. 1基本测量原理

图2所示为用HCNR200实现一个简单隔离放大器的基本拓扑,除了光耦,还用了2个运放和2只电阻。这个电路虽然简单,却清楚地解释了基本的隔离放大电路是如何工作的。简单说来,为了维持运放A1的“+ ”输入端始终为0V,A1将不断地调整流过LED的电流If,进而决定PD1上的电流Ipd1。比如,增大输入Vin,将引起A1“+ ”端电压升高,在正负端形成一个电压差,经过A1放大,输出电压增大, If随之增大,光强提高, Ipd1也随之增大,直至“+ ”端电压重新回到0V。假定A1是理想运放,没有电流流入运放的输入端,所有流过R1的电流都流过PD1,在运放达到平衡后,有Ipd1=Vin/R1

图2基本拓扑

pd1仅仅决定于输入电压以及R1的值,与LED的输出光强特性无关,因此在输入电压与光电二极管的电流之间就建立起很好的线性关系。另外,虽然LED的输出光强随着温度的变化而略受影响,但运放A1将通过调整If来进行补偿。由于HCNR200特殊的封装结构, 2只光电二极管将得到近似的光强,有K= Ipd2/ Ipd1运放A2和电阻R2将Ipd2转换为电压输出,有Vout= pd23 R2

联立以上3式,得到输入输出电压的关系

V out/V

in= K3 (R2/R1)(2)

可以看出,Vout和Vin成线性关系,与LED的光强输

出特性无关。并且仅仅通过调整R1和R2的值,就可以改变此隔离放大电路的增益。

图2是单极性输入电路,要求输入电压Vin必须为正。改变LED、光电二极管或者运放正负输入端的接法,可以得到更多的适合不同场合的隔离放大电路,比如单极性负输入电路、双极性电路等。

2. 2电路硬件设计

图3中, 2只运放及周围阻容元件配合HCNR200构成了隔离电路,对电压较高的模拟量,可以进行分压。同时,隔离两侧的供电要严格分开。图中第一只运放及HCNR200 的LED和PD1部分采用+ A18V和模拟地(AGND)连接,第二只运放及HCNR200的PD2部分则由+ 18V和数字地( GND)相连,实现了电气隔离。根据运放“虚短”和“虚断”

的特性,有

Ipd1=UAIN/R2

Ipd2=UAOUT/ (R4+R5/ /R6)

结合(1) ,得到UAOUT=UAIKR4+R5/ /R6R2(3)

可见,被测电压和输出电压之间存在正比的关系,只要适当选取电阻R2、R4、R5、R6的阻值,就可以得到一定比例的隔离输出电压。

图3高精度电压检测电路图

2. 3实验结果与分析

实际要求对4路0～10V电压, 1路0～40V电压以及1路0～60V电压进行隔离。对于0～40V和0～60V模拟量,在第一只运放前加精密电阻进行分压,用200kΩ和100kΩ对0～40V 分压, 510kΩ和100kΩ对0～60V分压。HCNR200的If要求在1mA～20mA之间,典型值为10mA,经过多次实验,证明R3取1kΩ比较合适;再根据Ipd的限制范围,取R2= 200kΩ。理论上,若K =1,则有R4+ R5/ /R6= R2。实验时,取R2=200kΩ。UAIN从0逐渐增大到10V 测量输出端的电压UAOUT见表1 (电压单位为V) ,其中K为实际增益, K =UAOUT/UAIN。表1实验结果

UAIN

U

AOUTKV

AIN

U

AOUTK

0.3490.3701.061085.2345.5551.06133

1.6061.7041.061025.8756.2351.06128

2.2482.3861.061396.5836.9851.06107

2.7792.9491.061177.0417.4751.06163

3.3733.5801.061377.5738.0361.06114

3.899

4.1371.061048.2298.7331.06124

4.6334.9171.061309.53310.1171.06126

可见,实际增益并不为1,取K = 1. 061进行修正,

则UAOUT=UAIN1. 061。

为提高精度,用电位器代替固定电阻R6,如图3

所示,对于每一路模拟量隔离,通过调整R6的大小,使UAOUT=UAIN,误差控制在毫伏级。

3总结

本文给出了运用高线性模拟光耦器件HCNR200实现模拟电压隔离的基本原理和硬件电路图。合理选取电阻的大小,可以精确实现输入输出电压1∶1传输。

用本电路制成的模拟量隔离板在列车发电车检测中取得了理想的效果。

参考文献:

[1]张维.一种高精度信号调理电路[J ].自动化仪表, 2001,

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[2]赵向华.一种实用的线性隔离检测电路[J ].电工技术杂

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[3]陈本孝.微机监控系统中的V /F变换与隔离[J ].电测与仪

表, 1996, (7) : 12 - 14.

(许雪军编发)

—06—仪表技术2005年第5期