線性光耦器件IL300-F-X009原理及其應(yīng)用

        在自動控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要將一些現(xiàn)場信號采集到單片機(jī)中，被采集的信號既可能是數(shù)字信號，也可能是模擬信號。為了實(shí)現(xiàn)電平線性轉(zhuǎn)換以及不把現(xiàn)場的電噪聲干擾引入到以DSP數(shù)字微處理器為核心的控制系統(tǒng)中來，必須將被測電路和控制電路在電氣上實(shí)現(xiàn)隔離，光電隔離法是常用的方法。本文給出一種利用光電隔離法對模擬電壓信號進(jìn)行采集的電路，電路中使用了VISHAY公司的IL300-F-X009高精度線性模擬光耦器件，文中對其工作原理進(jìn)行了介紹，并通過試驗(yàn)證明了此方法的精確性。

        1 IL300-F-X009線性光耦隔離原理

        線性光耦I(lǐng)L300-F-X009內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。IL300-F-X009由一個(gè)高性能發(fā)光二極管LED和兩個(gè)相鄰匹配的光敏二極管PD1和PD2組成，這兩個(gè)光敏二極管有完全相同的性能參數(shù)。LED是隔離信號的輸入端，當(dāng)有電流流過時(shí)就會發(fā)光，兩個(gè)光敏二極管在有光照射時(shí)就會產(chǎn)生光電流，IL300-F-X009的內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)使得PD1和PD2都能從LED得到近似光照，且感應(yīng)出正比于LED發(fā)光強(qiáng)度的光電流。光敏二極管PD1起負(fù)反饋?zhàn)饔?，用于消除LED的非線性和偏差特性帶來的誤差，改善輸入與輸出電路間的線性和溫度特性，穩(wěn)定電路性能。光敏二極管PD2是線性光耦的輸出端，接收由LED發(fā)出的光線而產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的輸出電流，達(dá)到輸入及輸出電路間電流隔離的作用。正是IL300-F-X009內(nèi)部的封裝結(jié)構(gòu)、PD1與PD2的嚴(yán)格比例關(guān)系及PD1負(fù)反饋的作用保證了線性光耦的高穩(wěn)定性和高線性度。 

        當(dāng)IL300-F-X009內(nèi)部的LED中流過電流IF時(shí)，其所發(fā)出的光會在PD1和PD2中感應(yīng)出正比于LED發(fā)光強(qiáng)度的光電流Ip1和Ip2，其中IF、Ip1、Ip2滿足以下關(guān)系式： 

        式(1)中K1、K2分別為輸入、輸出光電二極管的電流傳輸比，其典型值均為0．7%左右。IF的范圍在5 mA～20 mA之間，能夠獲得最好的線性關(guān)系。此時(shí)Ip1和Ip2的電流一般在200μA以下。K3被定義為傳輸增益，其輸出側(cè)光電流(Ip2)和輸入側(cè)光電流(Ip1)之比是一個(gè)恒定值，IL300-F-X009的傳輸增益K3的范圍在0．945～1．061倍之間。PD1接入到輸入電路，用來檢測和穩(wěn)定發(fā)光二極管發(fā)光的強(qiáng)度，PD2作為輸出電路的一部分與測量電路實(shí)現(xiàn)了電氣隔離。PD1和PD2安裝位置的精確性以及元件先進(jìn)的封裝設(shè)計(jì)保證了該元件的高線性性和增益的穩(wěn)定性。IL3 00-F-X009的最大非線性有±0．5%，最大輸入電流250 mA，是模擬信號隔離的極佳解決方案。

        2 線性光耦I(lǐng)L300-F-X009隔離電路

        2．1 工作原理

        如圖2所示，IL300-F-X009的LED、PD1及運(yùn)放U1等組成隔離電路的輸入部分，PD2及運(yùn)放U2等組成隔離電路的輸出部分。隔離電路輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vout，發(fā)光二極管LED上電流為IF，光敏二極管PD1上產(chǎn)生的電流為Ip1，光敏二極管PD2上產(chǎn)生的電流為而Ip2。 

        圖2隔離電路中PD1形成了負(fù)反饋，當(dāng)電壓Vin輸入時(shí)，運(yùn)放U1的輸出使LED上有電流IF流過，且輸入電壓的變化體現(xiàn)在電流IF上，并驅(qū)動LED發(fā)光把電信號轉(zhuǎn)變成光信號。LED發(fā)出的光被PD1探測到并產(chǎn)生光電流Ip1。根據(jù)運(yùn)算放大器“虛斷路”和“虛短路”特性，輸入電壓Vin也會產(chǎn)生電流流過R1，Ip1=Vin/R1，Ip1取決于輸入電壓Vin和R1的值。LED發(fā)出的光同時(shí)照射在兩個(gè)光敏二極管上PD1和PD2，由式(1)可得到：Ip2=K3×Ip1，K3的范圍在0．945～1．061倍之間。運(yùn)放U3和電阻R2把Ip2轉(zhuǎn)變成輸出電壓Vout，Vout=Ip2×R2，組合上面的3個(gè)等式得到輸出電壓Vout和輸入電壓Vin的關(guān)系：Vout/Vin=K3·R2/R1。電容C1為反饋電容，消除噪聲干擾，提高電路的穩(wěn)定性。因此，輸出電壓Vout具有穩(wěn)定性和線性，其增益可通過調(diào)整R2與R1的值來實(shí)現(xiàn)。

        2．2 線性光耦(IL300-F-X009)的應(yīng)用 

        本文將線性光耦(IL300-F-X009)隔離電路應(yīng)用于檢測永磁同步交流電機(jī)母線電流，如圖3所示?；魻杺鞲衅麟娐凡捎肁CS712元件，ACS7 12是常用的電流傳感器元件，其輸出電壓與輸入電流為正比例關(guān)系，只要測出ACS712的電壓輸出值即可換算出被測永磁同步交流電機(jī)母線的電流值?；魻杺鞲衅麟娐?ACS712)將永磁同步交流電機(jī)母線的電流值變化轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳輸給DSP數(shù)值信號處理器解算出永磁同步交流電機(jī)母線的電流。采用線性光耦隔離電路對霍爾傳感器電路檢測永磁同步交流電機(jī)母線電流進(jìn)行隔離，防止外界干擾的同時(shí)，還達(dá)到高精度的傳輸測量信號，即隔離電路前后電壓一致，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。實(shí)驗(yàn)電路原理圖如圖3所示。 

        2．3 確定線性光耦隔離電路的參數(shù)值

        本試驗(yàn)選取VCC和VDD都為+5 V，但不共地的電源電壓，Vin的輸入電壓范圍0 V～5 V，Vout的輸出電壓范圍0 V～5 V，如圖2所示。根據(jù)IL300芯片手冊說明，如圖4和圖5所示，可知，在環(huán)境溫度為25℃，流過IL300-F-X009內(nèi)的發(fā)光二極管LED的正向電流為IF=10 mA時(shí)，其傳輸增益K3=1，發(fā)光二極管LED的正向電壓VF=1．25 V。設(shè)輸入電壓Vin=5 V，則第一級運(yùn)放LM358輸出的電壓V1=5 V，因此，由以上分析可以計(jì)算出R2的電阻值。 

        根據(jù)IL300芯片手冊說明，如圖6所示，可知，在環(huán)境溫度為25℃，當(dāng)流過IL300-F-X009內(nèi)的發(fā)光二極管LED的電流IF=10 mA時(shí)，則Ip1= 70μA，此時(shí)，V2=Vin=5 V，因此，可以計(jì)算出R1的電阻值。由式(1)可知，要實(shí)現(xiàn)Vout=Vin，那么R3=R1。 

        3 結(jié)論

        本文所設(shè)計(jì)的電壓檢測隔離電路用于對5 V以下電壓進(jìn)行檢測與隔離，通過多次實(shí)驗(yàn)比較，最后，選取R1=50 kΩ、R2=240 Ω和R3=50 kΩ，可在較大程度上提高檢測電路的精確性，此電壓檢測隔離電路基本實(shí)現(xiàn)了Vout與Vin相等。由表1可看出，相對誤差均在-0．5%～+0．5%范圍內(nèi)。通過實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，線性光耦I(lǐng)L300-F-X009隔離電路有很好的穩(wěn)定性和線性。 

       本文介紹了利用線性光耦器件IL300-F-X009進(jìn)行模擬電壓電氣隔離的基本原理和硬件電路。由本電路的測量數(shù)據(jù)結(jié)果證明，該方法測量電壓線性度好，精度高，適合應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)中模擬信號的檢測。