光耦線性化與線性光耦器件的應(yīng)用

1、光耦線性化與線性光耦器件的應(yīng)用摘 要：比較全面的介紹了光耦器件在模擬信號隔離測試中的應(yīng)用，并且指出了保 證測試精度需要采取的措施。1引言在單片機(jī)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，被測試對象信號的隔離對整個系統(tǒng)的正常工作具有重要作 用。這里主要有兩方面的考慮：（1）保護(hù)被測試對象和測試電路，使其不會因?yàn)楸粶y試對象或測試電路的故障而影響整個 系統(tǒng)的工作。（2）減小環(huán)境干擾對測試電路的影響。為保護(hù)后級設(shè)備、保證測量結(jié)果的有效性，測試電 路與被測電路必須做到嚴(yán)格的電氣隔離。光電耦合器因其良好的性能和抗干擾能力而被廣泛地應(yīng)用于輸入和輸出信號的電氣隔離。但 是，在利用光電耦合器的線性耦合直接對模擬信號進(jìn)行隔離傳輸時，

2、由于光電耦合器內(nèi)部發(fā) 光二級管和光敏三級管的伏安特性，使得光電耦合器的“線性區(qū)”實(shí)際上比較小并且存在一定 程度的非線性失真。由于光電耦合器件非線性的輸入輸出特性所限，一般來講，光耦器件主 要應(yīng)用于數(shù)字信號的隔離，而較少用于模擬信號的隔離。目前對于模擬電信號的隔離主要有2種方法：一種是采用諸如霍爾器件等特殊傳感器，但 其價格較貴；另一種是首先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換或V/F轉(zhuǎn)換，再用光耦進(jìn)行隔離的方法，但處 理過程較為復(fù)雜，并且不能使用單片機(jī)內(nèi)置的A/D 口。如果能夠使用光耦器件完成對模擬 信號的隔離，無疑是很有意義的。2普通光耦器件的線性化使用光電耦合器由發(fā)光器和受光器2部分組成，發(fā)光器是一個發(fā)光二級管

3、，受光器是一個光敏 三級管，二者密封在同一管殼內(nèi)。當(dāng)受光器接受光照時，產(chǎn)生電流輸出。由于電信號以光線 為傳輸介質(zhì)，因而實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出信號在電氣上的良好隔離。但是，在利用光電耦合器的 線性耦合直接對模擬信號進(jìn)行隔離傳輸時，由于光電耦合器內(nèi)部發(fā)光二級管和光敏三級管的 伏安特性，使得光電耦合器的“線性區(qū)”實(shí)際上存在一定程度的非線性失真?？梢栽O(shè)想，如果采取措施使光耦器件的非線性問題得以改善，那么利用光耦進(jìn)行模擬信號的 隔離是可能的。根據(jù)以上假設(shè)，我們想到控制理論中反饋控制的特點(diǎn)，其中很重要的一點(diǎn)就 是引入負(fù)反饋可以改善系統(tǒng)的線性度。基于此想法，設(shè)計(jì)了如圖1所示的電路進(jìn)行模擬量的隔離測量。在本電路中，

4、使用了 2個普通光耦器件和2個運(yùn)算放大器，2個光耦一個用于輸出，一個用 于反饋，反饋用來補(bǔ)償發(fā)光二極管時間、溫度特性的非線性。下面我們來分析一下電路的工 作原理。在圖1中:L = K |/Fh = K齊其中冬頁分別為電路中個光耦的電流傳編比, 由電路可知：Vm = L& = KJYi匕火=L0 =代小足男電路的電壓增益為；,、_ Km _ K *格 _ K :代2比較全面地介紹了光耦器件在模擬信號隔離測試中的應(yīng)用，并且指出了保證測試精度需要采 取的措施。如果圖1中2個光耦選用同一型號同一批次的產(chǎn)品，那么特性基本一致，即有：K1 = K2 所以：G - K -司-瓦從上式可以看出，該測量電路的電

5、壓增益只與電阻Ri, R2的阻值有關(guān)，而與光耦的電流傳 輸比等特性無關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了對電壓信號的線性隔離。需要特別指出的是，在圖1所示電路中，必須使用隔離電源。3線性光耦器件的應(yīng)用這里說的線性光耦器件有2種：無反饋型和反饋型，我們先介紹無反饋型。無反饋型線性光耦器件實(shí)際上是在器件的材料和生產(chǎn)工藝上采取一定措施，使得光耦器件的 輸入輸出特性的非線性得到改善。但是，由于發(fā)光二極管和光電三極管的固有特性，改善十 分有限。這種光耦器件主要用于對線性區(qū)的范圍要求不大的情況，例如開關(guān)電源的電壓隔離 反饋電路中經(jīng)常使用的PC816A和NEC2501H等線性光耦。由于開關(guān)電源在正常工作時的電壓調(diào)整率不大，通過對

6、反饋電路參數(shù)的適當(dāng)選擇，就可以使 光耦器件工作在線性區(qū)。但是，由于這種光耦器件只是在有限的范圍內(nèi)線性度較高，所以不 適合使用在對測試精度以及范圍要求較高的場合。另一種線性光耦是反饋型器件，其作用原理與前面介紹過的普通光耦器件線性化使用的原理 類似，只不過他在生產(chǎn)工藝上采取了一定措施，使同一片器件中的2個光耦的特性更加趨 于一致。這種器件例如德州儀器公司曾經(jīng)出品現(xiàn)已停產(chǎn)的TIL300A，CLARE公司生產(chǎn)的 LOC系列線性光耦，惠普公司生產(chǎn)的HCNR200 / 201線性光耦等。圖2所示是一個采用LOC110線性光耦實(shí)現(xiàn)的隔離放大器。4實(shí)際使用中應(yīng)注意的問題對于單片機(jī)測試系統(tǒng)而言，如果對被測試量

7、的量程（變化范圍）要求較大、精度要求較高時， 使用反饋型線性光耦器件無疑是比較合適的。但是，在光耦的線性化使用或者說在使用線性光耦器件的過程中，其線性度往往并不能完全 令人滿意。這是為什么呢？根據(jù)我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，關(guān)鍵在于要充分理解光耦器件自身的一些 特點(diǎn)以及在光耦器件中使用反饋機(jī)制改善線性度的原理，只要在設(shè)計(jì)過程中合理地選擇器件 和小心設(shè)計(jì)電路，即使采用我們介紹過的第一種方法，采用普通光耦器件，也同樣能達(dá)到很 好的效果，這里要注意以下幾點(diǎn)：（1）必須充分認(rèn)識到光耦為電流驅(qū)動型器件，要合理選擇反饋電路中所使用的運(yùn)放，必須 保證運(yùn)放擁有合適的負(fù)載能力，以便在正常工作時驅(qū)動光電二極管。（2）當(dāng)采用普通光耦器件時，要盡量采用多光耦 器件，而不要采用單光耦器件。因?yàn)槎?個光耦集成在一片芯片上有利于從材料及工藝的角度保證多個光耦之間特性趨于一致，而正 是由于2個光耦特性的一致才保證了反饋對改善線性的作用。（3）由于線性光耦在使用