非線性光耦實現交流電線性隔離取樣的電路設計

鄭州理工職業學院 申迎風 余彥瓊 河南國立控股有限公司 張海洋

在一些電壓或電能檢測的設備中往往需對交流電壓進行線性隔離取樣，以確保取樣電壓值范圍在微處理器能夠處理的范圍內。目前模擬信號隔離的方法有互感器、光耦隔離等，但互感器在隔離過程中產生的電磁干擾較大，所以較簡單有效的選擇是使用光耦。在選擇光耦時還需考慮到性價比的問題[1]，線性光耦線性度比較好但價格較高性價比不強，因此采用非線性光耦TLP521-2來替代線性光耦實現模擬信號的隔離。將非線性光耦的單發單收模式稍加改造，光耦的一路用于反饋來抵消另一路的光耦非線性，從而實現線性隔離的目的。

1 光耦的工作原理

耦合器傳輸電信號的媒介是光，能夠很好的隔離輸入、輸出電信號，所以廣泛應用于各種電路。成為目前用途最廣、種類最多的光電器件之一。一般來說光的發射、光的接收及信號放大這三部分組成了光耦合器。發光二極管（LED）由輸入的電信號來驅動，發出一定波長的光，光電流由探測器接收到光而產生，輸出前要經過進一步放大。如此就是電—光—電的轉換過程，輸入、輸出從而就被隔離開來。由于光耦具有單向傳輸電信號、能隔離輸入輸出的優勢，所以其電絕緣能力和抗干擾能力比較好。考慮到需要很好的共模抑制能力，所以要選用輸入端為電流型工作的低阻元件光耦。綜上所述，光耦在長線傳輸信息中如果要作終端隔離元件來使用的話能非常好的提高信噪比。作為接口器件隔離信號時，如果應用在計算機數字通信及實時控制中，能極大提高其運行的可靠性。

光耦合器的優勢主要有：單向傳輸信號，能徹底電氣隔離輸入端與輸出端，輸入端不受輸出信號影響，能夠很強的抗干擾，工作可靠性好，耐用、無觸點、很高的傳輸效率。七十年代誕生的新元件光耦合器，現已在電氣絕緣、級間耦合、驅動電路、開關電路、電平轉換、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、儀器儀表、脈沖放大電路、數字儀表、級間隔離、遠距離信號傳輸、固態繼電器(SSR)、通信設備及微機接口、脈沖放大中廣泛應用。單片開關電源中的光耦反饋電路是利用線性光耦合器來構成的，占空比的是利用調節控制端電流來調節的，從而實現精密穩壓。

光電耦合器大致有兩種：一種為非線性的，另一種為線性的。圖1所示為高線性光耦HCNR200/201的內部示意圖，含有一個高性能的砷化鋁鎵LED，兩個密切配合的光電二極管與之耦合。隔離信號的輸入引腳是1、2，反饋引腳為3、4，輸出腳為5、6。HCNR200/201屬于單發雙收的工作結構，兩個光敏二極管能夠同時被LED發出的光所控制。

圖1 HCNR200內部結構示意圖

將1、2腳之間發光二極管的電流記為IF，將3、4引腳之間的電流記作IPD1，將5、6引腳之間的電流記為IPD2。經過電壓—電流轉化的輸入信號，電流IF體現了電壓的變化，IPD1和IPD2幾乎和IF成線性關系，分別將線性系數記為K1和K2，關系如下所示：K1=IPD1/IF，K2=IPD2/IF，1、2腳發光二極管的非線性通過IPD1調節IF來補償。傳輸增益K3=K2/K1，K3的典型值為1。

2 檢測電流的電路

2.1 光電導模式下的電流檢測電路設計

圖2為光電導模式下HCNR200的檢測電流電路，信號的輸入、輸出均為正極[2]。隔離電路原理為：偏置電流在R1初級運算放大器端輸入，由C1起到反饋作用，同時可將毛刺信號濾除，保護了HCNR200中砷化鎵鋁發光二極管(LED)不受意外的沖擊。由于阻抗會隨著頻率的提高而變小，增益會隨HCNR200的初級電流增大而增大，所以通道在高頻時的增益會因C1的引入而受一定程度的影響，可通過減小C1的大小來拓展帶寬，但是初級運算放大器的增益會受影響，且不容易濾除由初級運算放大器輸出的較大毛刺信號。R3通過控制LED的發光強度，在一定程度上起到控制通道增益的作用。

圖2 電流檢測電路——光電導模式下

2.2 電流檢測電路設計——光電壓模式下

圖3為HCNR200工作于光電壓模式，輸入信號和輸出信號均為正極。圖中R2、R3、R4、C1的作用與在光電導模式下的作用基本相同。電流IF通過放大器A1來調節。IF隨著輸入電壓UI增加而增加。I1會因為D1和D2兩者之間的關系把“+”輸入端電壓再次拉回0V，從而形成負反饋。流經R1的電流在放大器A1的輸入電流很小的時候就為UIN/(RI+R2)=I1，可以得出I1與UI之間的關系是線性的。IF隨著I1穩定線性變化而穩定線性變化。由于D1的光照到D3，I2也會隨之穩定線性變化。通過放大器A2和電阻R2，I2被轉化成電壓UO=R4×I2。

圖3 光電壓模式下的電流檢測電路

3 非線性光耦的線性化設計

3.1 非線性光耦的線性化設計

由于考慮到成本問題在此設計當中選用TLP521-2，將其進行線性化設計，TLP521結構如圖4。盡管在生產過程中會出現種種誤差，但在TLP521-2中封裝的兩個光耦的特性還是非常的一致的，所以這兩個光耦在相同的IF下射極輸出的電流大小是非常接近的，可以看做相等。在這里參考線性光耦的特性在電路中將引腳2和3接到一起確保了兩個光耦的IF相等，由于非線性光耦TLP521的受光器件是光電三極管，所以只能在光電導的模式下進行工作。非線性光耦線性化改良后的隔離電路如圖5。

圖4 TLP521的結構示意圖

圖5 雙路光耦隔離電路

電路原理分析如下：I1=K1×IF,I2=K2×IF,其中圖5中下面光耦的輸出為反饋回來的電流I1，上面光耦輸出的電流為I2，K1，K2分別為兩個光耦的CTR值。UI=R3×I1=R3×K1×I1，U0=R1×I2=R1×K2×IF，由于選擇的兩個光耦是封裝在一起的所以兩個光耦的CTR幾乎是相同的，即可以認為K1=K2，所以電壓放大倍數AU=U0/UI=R1/R3。以上的分析可以說明，本設計中電壓的放大倍數值和R3和R1的大小有關，而和光耦的CTR值沒有關系。

3.2 交流電壓的光耦隔離線性取樣

在上面分析的基礎上設計了一個交流電壓線性取樣電路，其中就采用了普通光耦的線性化取樣技術。該電路也可以適用于電流的隔離取樣。圖6就是該電路的Multisim仿真模型，可以應用在工作電壓為5V的單片機控制取樣電路中。特性參數為：交流檢測電壓：幅值380V、頻率50Hz；輸出電壓：直流偏置電壓5V、峰峰值電壓3.8V、頻率50Hz。設置電流偏置的目的是方便采用單電源供電，便于單片機處理對采集到的電壓進行分析比較。

圖6 交流電壓的光耦隔離采樣電路

圖7中第一個示波器是需要采樣的幅值380V的交流電，下面的示波器中表示的是隔離采樣后的交流電，幅值是5V，通過波形可看出兩個電壓成線性比例，改進后的非光耦隔離取樣電路對380V的三相交流電進行線性隔離取樣的功能是可行的。

圖7 取樣電路的仿真波形

綜上，本論文是在對電源轉換開關控制器研究時提出的。在電源轉換開關控制器中采用的是線性光耦，但線性光耦成本相比非線性光耦來說較高，本文的中改造后的電路模型不僅能降低成本而且可以實現線性光耦電路隔離取樣的理想功能，如應用在實際電路中需注意抗電磁干擾的設計，需要進行進一步的研究。