线性光耦的应用

高线性模拟光耦HCNR201原理及其在检测

电路中的应用

西北机电工程研究所赵昕刘洪涛

摘要：HCNR201是HP公司生产的高线性度模拟光电耦合器，它具有很高的线性度和灵敏度，可在检测系统中精确地传送电压信号。文中介绍了高线性度模拟光耦HCNR201的内部结构和工作原理，给出了用HCNR201和运算放大器实现检测电压的隔离传输电路。

关键词：光电耦合器件；隔离；测量电路；HCNR201

1前言

在测试系统中，为了减少环境噪声对测试电路的影响，确保测量结果的准确性，往往将被测电路与测试电路在电气上进行隔离，这就需要光电耦合器。普通光电耦合器具有非线性电流传输特性，这对于数字量和开关量的传输不成问题，但对于模拟量的传输精度则很差。本文介绍了HP公司生产的一种高线性度模拟光电耦合器HCNR201主要结构和工作原理。笔者曾在某随动检测系统中使用HCNR201来精确地传送检测板所需的电压信号。并进行前向信道与后向信道的隔离，取得了满意的效果。

2 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，最大绝缘工作电压为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。

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。3应用电路

3．1基本外围电路配置

图2是HCNR201的外围电路配置。其中I

PD1和I

PD2

表示LED的输入电流I

F

和光敏

二极管的反向电压处在额定值时光敏二极管中流过的电流。该电流的大小与I

F

有

关。如果LED的输出光强发生改变，那么，放大器N1就会调节I

F

以进行补偿，并且在PD1、PD2上保持一个稳定的电流。

I PD1，I

PD2

的大小与I

F

的关系如下：

其中K

1和K

2

分别为I

PD1

和I

PD2

随I

F

的变化参数，对于HCNR201来说，其参数变化

应是一致的，当典型值为1时的取值范围为0．95～1．05。对于图2所示电路，其输

入V

in ＝I

PD1

R

1

，输出端V

out

＝I

PD2

R

2

，故有V

out

／V

in

＝KR

2

／R

1

。

由此可见，其输入与输出呈一种线性关系，且其隔离放大器的增益可通过调整

R 2与R

1

的比值来实现。

4在检测电路中的应用

在某随动检测系统中，需要用检测板对系统中的各电路板的参数进行监测，以对工作不正常的电路板给出故障指示，并用单片机来处理检测结果。由于实际工作环境比较恶劣，为了防止干扰信号由采集信道进入检测板及保证单片机系统工作正常，笔者采用光电耦合器来实现信号的传输。由于光电耦合器的发光二极管为电流驱动器件，因而应以电流环路的形式进行传送，而且电流环路是低阻抗电路，它对噪声的敏感度较低，因此提高了电路的抗干扰能力。有时干扰噪声虽有较大的电压幅度，但其能量小，所以只能形成微弱的电流，而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，只有在通过一定强度的电流时才能发光，因此，即使有很高电压幅值的干扰，也会因其所形成的电流大小而被抑制掉。

在实际检测电路的某一采集信道中，如需对一组差动输入信号进行检测，可将电路接成如图3所示的连接方式。图中，通过放大器N1可将输入的差动信号变为单边信号后输出。由于二极管V1和V2的作用，当输入信号为正时，V2导通，V1截止，放大器N2呈开环状态，光耦N5工作，N4关断；而当输入信号为负时，则正好相反。当HCNR201的第3、4端的光敏二极管受光后，其输出信号将反馈到放大器的输入端，以提高光耦的线性并减少温漂。第5、6端输出的信号经运放放大后输出。电位器RP1的作用是调节运放输入偏置电流的大小。电容C2、C3为反馈电容，可用于提高电路的稳定性，消除自激振荡，滤除电路中的毛刺信号，降低电路的输出噪

声，其容值可根据电路的频率特性来选取。放大器N6的作用是把光耦输出的电流信号转变为电压信号以供后级电路使用，并增强负载驱动能力，降低输出阻抗。调整电阻RP2的值可以调整信道的增益。

5结束语

HCNR201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。它可在单／双极信号输入、交直流电路、转换电路等多种模式下工作，因而可广泛应用在数据通讯、电压电流检测、开关电源、测量和测试工业过程控制（变换器的隔离、热电偶的隔离、4－20mA模拟电流环发射／接收器）等方面。