基于線性光電耦合器的電流檢測電路

1、基于線性光電耦合器的電流檢測電路趙云麗,歐陽斌林*,李曉輝(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150030摘要:利用線性光電耦合器HCNR200和運算放大器TLC2262,設(shè)計了智能開關(guān)電源的電流檢測電路。電路具有良好的線性度和高準(zhǔn)確度;電路結(jié)構(gòu)簡單,實驗效果好。關(guān)鍵詞:HCNR200;線性隔離;線性度中圖分類號:TP33;TP214+.1文獻標(biāo)識碼:A隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,由微控制器控制和管理的智能化電源已經(jīng)成為現(xiàn)代電源技術(shù)發(fā)展的主要潮流之一。在電源設(shè)計的過程中,如果電源本身的電磁兼容性(EM C不解決,那么微控制器系統(tǒng)也極易受到干擾?；谶@一點,電源工程師做了大量的工作,如屏蔽、接地、隔離

2、等,其中光電隔離技術(shù)以其優(yōu)良的抗干擾性能(光信號是不受電磁干擾的而在電源技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用1。早期的光電耦合器由于受到工藝的限制而速度較低,從而使應(yīng)用范圍受到了限制。隨著高速光電耦合器甚至光電集成電路的出現(xiàn),其應(yīng)用范圍已經(jīng)跨越光電隔離而在電源技術(shù)的各個領(lǐng)域如線性隔離、電量反饋、電流傳感、電量變換等方面都有成功的應(yīng)用2-3,從而給電源的設(shè)計帶來了極大的方便。智能化電源本身就是一個自動控制系統(tǒng),而要實現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵依據(jù)就是實時數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)識別,此外為能了解電源的運行情況,也需要實時地監(jiān)測各種參數(shù),因此,在電源系統(tǒng)中,電量的采集是非常重要的。而各種電量的采集都可轉(zhuǎn)化為直流電壓的采集,在不需要

3、隔離的情況下,直流電壓的測量時較容易,只要采用比較簡單的電阻分壓取樣即可;但是大部分情況下,需考慮電氣隔離和測量精度,采用高精度的線性光電耦合器即可取得很好的效果。本文利用線性光電耦合器HCNR200構(gòu)造電量采集電路,實現(xiàn)對開關(guān)電源輸出電流的檢測,輸出跟隨輸入變化。1線性光電耦合器H C N R200簡介線性光電耦合器HCNR200由發(fā)光二極管D1、反饋光電二極管D2和輸出光電二極管D3構(gòu)成,其工作原理為:當(dāng)驅(qū)動電流I F流過發(fā)光二極管D1時,D1發(fā)出紅外光(伺服光通量,反饋光電二極管D2捕捉D1的一部分電流,從而產(chǎn)生控制電流I P1,該電流用來調(diào)節(jié)I F以補償D1的非線性和漂移特性;同時輸出

4、光電二極管D3產(chǎn)生一個輸出電流I P2,這一電流與D1發(fā)出的伺服光通量成線性比例。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種先進的光電二極管調(diào)整設(shè)計確保了光電耦合器的高線性和穩(wěn)定性。HCNR200可較好的實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的隔離,具有良好的穩(wěn)定性和較高的線性度,并且測量頻率范圍寬(大于1M Hz。收稿日期:2004-07-17作者簡介:趙云麗(1979-,女,黑龍江人,碩士研究生,研究方向為智能監(jiān)測與控制。*通訊作者1. HCNR200Fig.1 The schematic of HCNR200I p1I p2I fPD1 ANOD E PD2 ANOD EPD2 CAT HODENCNCPD1 CAT

5、HODELE D ANOD ELE D CAT HODE?PD1?PD1?PD2?PD2?12348765D2 D3D1LED CATHODE發(fā)光管陰極發(fā)光管陽極LED ANODEPD1CATHODEPD1陰極PD1陽極PD1ANODE12345678D1D2I FI P1IP2D3NC無連接NC無連接PD2CATHODEPD2陰極PD2陽極PD2ANODE圖1HCNR200結(jié)構(gòu)Fig.1The structure of HCNR200第37卷第1期東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報37(1:8285 2006年2月Journal of Northeast Agricultural University Feb

6、ruary2006文章編號1005-9369(200601-0082-04輸入電壓V A (VInput voltage 123456789輸出電壓V B (V輸出電壓變化量V B (VOutput voltage variety輸入電壓V A (VInput voltage 12345678輸出電壓V B (VOutput voltage variety5.2320.4702線性光電耦合器的線性測試根據(jù)線性光電耦合器的典型應(yīng)用電路搭建實驗電路(如圖2所示,測試線性光電耦合器的特性。具體實驗方法是:在A 點輸入線性變化的電壓V A ,測量B 點的輸出電壓V B ,從而得到輸出電流變化量I P1

7、與輸入電流變化量I F 的關(guān)系。由于HCNR200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其電流的傳輸率(CTR 很低,為了驗證這一特性,做了一組實驗:當(dāng)電阻R 1=510時,V B m ax =2.7mV ;R 1=1K 時,V B m ax =5.1mV ;R 1=5.1K 時,V B m ax =27mV ;R 1=10K 時,V B m ax =50mV ;R 1=20K 時,V B m ax =110mV ;R 1=51K時,V B m ax =270mV 。可以看出B 點的輸出電壓V B 很小,因此要得到一個滿意的輸出電壓,R 1取值很重要,也就是說R 1的阻值要足夠大。下面以一組實驗數(shù)據(jù)說明其特性(電路中的

8、電阻值R 1=100K ,R 3=510,如表1所示。根據(jù)表1中的實驗數(shù)據(jù)可得出輸入電流變化量I F =V A /R 3=1.96mA 和輸出電流變化量I P1=V B /R 1=8.1A ,進而計算出正相增益K 1=I P1/I F =0.5A mA -1。實驗又對線性光電耦合器SLC800做了線性測試,比較兩種線性光電耦合器的線性度,實驗數(shù)據(jù)如表2所示(電路中的電阻取值R 1=100K ,R 3=510。2. Fig.2 The linear test circuit diagram 123465R 1R 31V cc+R 22V cc+IfI p 1Ip 2P K 1K 2V A B V

9、 V C C1234156K 2K 12Vcc+1Vcc+I P1I P2I F R 1R 2VC V BV A R 3P圖2線性測試電路Fig.2The linear test circuit從表1,2中的數(shù)據(jù)得出,SLC800的線性范圍在輸入電壓為29V 之間,HCNR200的線性范圍在輸入電壓為28V 之間,線性范圍相差不大,但SLC800的線性度不如HCNR200的線性度好。所以本電流檢測電路采用HCNR200作線性隔離的光電耦合器。表1HCNR200線性測試實驗數(shù)據(jù)Table 1The linear testing experimental data of HCNR200表2SLC8

10、00線性測試實驗數(shù)據(jù)Table 2The linear testing experimental data of SLC800C 1趙云麗等:基于線性光電耦合器的電流檢測電路83第1期3電流檢測電路的設(shè)計本文基于HCNR200的典型應(yīng)用電路構(gòu)造了電流采樣電路,實現(xiàn)對開關(guān)電源輸出電流的實時檢測。電路的采樣電壓由運算放大器的正相輸入端加入,產(chǎn)生驅(qū)動光電耦合器的驅(qū)動電流I F,從而產(chǎn)生反饋電流I P1和正相電流I P2,I P1的大小與I F的大小呈線性關(guān)系(I P1=K1×I F,I P2的大小與I F的大小也呈線性關(guān)系(I P2=K2×I F。運算放大器為發(fā)光二極管提供驅(qū)動電

11、流,從而使其正負輸入電位相等(V a=V b;而光電耦合器的反饋光電二極管和輸出光電二極管的特性一致,使電路中的R2兩端的電壓等于V a(R1=R2,從而實現(xiàn)了模擬電壓從輸入到輸出的隔離轉(zhuǎn)換。電路的設(shè)計中,由于HCNR200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其電流的傳輸率(CTR很低,大約為0.005,實驗已經(jīng)驗證。因此R1的阻值要足夠大,否則運算放大器的負相輸入端電壓將被限制的很低,無法跟隨正相輸入端的電壓實現(xiàn)負反饋;而輸出電阻R2的選擇可根據(jù)輸出電壓范圍的要求選擇;限流電阻R3的選擇可根據(jù)R3=K1×R1求得。此外在電阻的選擇上,還要考慮輸入電壓的等級選擇最匹配的阻值,力求獲得最佳線性度。電路中的運算

12、放大器的正負相輸入電位相等,要求電流I P1要完全流過R1,因此要求運算放大器負相輸入端要有很高的阻抗。而HCNR200又是電流驅(qū)動,其驅(qū)動電流要求在120mA,因此運放的驅(qū)動電流也必須達到20mA,同時根據(jù)輸入電壓范圍,也要求運放有相應(yīng)的共模輸入和輸出能力,因此運算放大器的選擇對整個電路的性能影響很大。在運算放大器的選擇中也作了比較實驗,分別將TLC2262、LM358與HCNR200連接,調(diào)節(jié)運算放大器的正相輸入電壓V a,測量其負相輸入端電壓V b以及HCNR200的輸出端電壓V c。實驗數(shù)據(jù)表明,雖然TLC2262的輸入電壓范圍比LM358的輸入范圍小,但TLC2262線性度要優(yōu)于LM

13、358。因此本設(shè)計電路采用了單電源供電的集成運放TLC2262,其輸出電流為50mA。此外由于經(jīng)光電耦合器輸出的電壓也是有一定范圍的,電路的輸出端再加一級運放并且加一電位器,從而調(diào)節(jié)輸出電壓使其在A/D采集電壓的量程范圍內(nèi),滿足測量要求。表3電流檢測電路的實驗數(shù)據(jù)Table3The experimental data of current detecting circuit表3中的數(shù)據(jù)為電流檢測電路的實驗數(shù)據(jù),從表中數(shù)據(jù)可知最大相對誤差為4%,說明檢測電路具有較高的準(zhǔn)確度。下面對線性度進行分析:線性度是測量系統(tǒng)靜態(tài)特性對選定擬合直線y=b+ kx的接近程度,它表示為L=|m|/m100%,式中

14、|m|為靜態(tài)特性與選定擬合直線的最大偏差,m 為y的限量值。本實驗中的擬合直線為V c= 0.5V a,V a的限量值m為1.2V,最大偏差|m|為0.002V,從而計算出線性度為1.7%,檢測電路線性度好。正相電壓V a(V Position phase voltage負相電壓V b(VNegative phase voltage輸出電壓V c(VOutput voltage負相變化量V b(VVariation of negativephase voltage輸出變化量V c(VVariation of outputvoltage84東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報第37卷Design of curren

15、t detecting circuit by linear optocouplerZHAO Yun-li ,OUYANG Bin-lin ,LI Xiao-hui(Engineering College,Northeast Agricultural University ,Harbin Heilongjiang 150030,PRC Abstract:The DC current detecting circuit of the intelligent switching power is designed by linear optocoupler HCNR200and amplifier

16、TLC2262.The circuit has better linearity and high accuracy,additionally,its structure is simple,and the experimental result is better.Key words:HCNR200;linear isolation;linearity4結(jié)論應(yīng)用線性光耦合器HCNR200組成的模擬信號隔離電路,線性度好,電路簡單,有效地解決了模擬信號與單片機應(yīng)用系統(tǒng)電氣隔離問題。將該器件用于開關(guān)電源的輸出電流檢測中,電流反饋準(zhǔn)確可靠,在實現(xiàn)電流閉環(huán)控制中發(fā)揮了重要作用。HCNR200可以廣泛地應(yīng)用在需要良好穩(wěn)定性、線性度和帶寬的模擬信號隔離場合?？梢怨?/p>