基于线性光耦HCNR201的交直流电压传感器的研制

　　0　引言

　　在计算机多路数据采集系统、变频调速系统、可控硅控制系统及其他检测控制系统中,为了实现多路信号的采集和测量,消除系统中信号回路共地引起的干扰,克服测试与被测试系统、控制与被控制系统之间因高压对人体和设备带来的不安全影响,需要对被测信号之间及被测信号与测量电路之间进行隔离。模拟量光电隔离型传感器具有低成本、低漂移、高精度、高隔离、宽频响、响应快、温度范围宽等特点,得到了广泛的应用。该传感器的主要技术指标是:精度为0·2级、输入信号带宽最大为±DC30 kHz、输入阻抗大于1MΩ、正弦工频信号时输入输出有效值为30 V/5 V、隔离电压峰值大于1 414 V.

　　1　HCNR201的基本原理和应用电路

　　高精度模拟线性光耦HCNR201的线性度可以达到0·01%,隔离电压可以达到直流8 kV,温度系数低至-65ppm /℃(1 ppm=10-6),直流传输时的信号带宽大于1 MHz.其内部结构原理如图1所示,其中LED为高性能的AlGaAs发光二极管, PD1和PD2是利用同种工艺制成的具有严格比例关系的光敏二极管。光敏二极管的PN结在反向偏置状态下运行时,其反向电流与光照强度成正比。当LED中流过一定电流IF时,其所发出的光会在PD1和PD2中感应出正比于LED发光

　　特殊的封状结构使每个光敏二极管都能从LED得到近似相等的光强,故K1和K2的典型值均为0·5%,它们随温度的变化较大(变化范围是0·25% ~0·75% ),但是芯片在设计时,保证了K1和K2变化趋势的一致性。K3的值恒定(典型值为1)。基于传输增益恒定这一特点,线性光耦达到了满意的线性度。图2是芯片使用手册提供的用HCNR201实现单极性直流电压隔离的典型应用电路。运算放大器A1构成负反馈放大电路, PD1接在A1的输入端检测流过LED的电流并自动地调节LED的电流,以补偿LED的光强随温度变化而引起的非线性,即该反馈放大电路主要用于稳定LED的光强输出并使其线性化。A2构成电流电压转换电路,A2与R2将IPD2转换成电压输出。R1与R3分别为PD1和LED的限流电阻。C1和C2主要是用来滤除电路中产生的毛刺信号,降低电路的噪声。设Vin和Vout分别为被隔离信号的输入端和输出端,根据运放的“虚短”和“虚断”的特性,对图2所示的电路有:

　　从式(4)可以看出:IPD1仅取决于Vin与R1的比值,而与LED的输出光强特性无关。整个隔离电路的传输增益Vin/Vout也呈线性关系,且与LED的输出光强无关。由于K3恒定,所以只需通过调整R1和R2的比值,即可改变此隔离电路的传输增益。

　　2　传感器电路的设计

　　从图2的典型应用电路可以看到,对于一定阻值的限流电阻R1而言,由于IPD1在正常工作条件下是有一定范围的,IPD1的有效工作区域限制了输入信号的范围;由于光敏二极管的反向光电流不能双向流动,因此该电路不适用于双极性信号的隔离传输。