線性光耦器件IL300-F-X009原理及其應(yīng)用
摘要:介紹在采集交流永磁同步電機(jī)母線電流時(shí),為防止外界的各種干擾,必須將霍爾傳感器測(cè)量系統(tǒng)和DSP數(shù)字微處理器進(jìn)行電氣隔離。為了能更精確地傳送模擬信號(hào),進(jìn)行電壓檢測(cè),用線性光耦(IL300-F-X009)隔離是最好的選擇。線性光耦輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)變化而成比例變化,它為模擬信號(hào)傳輸過程中,隔離電路的簡(jiǎn)單化、高精度化帶來了方便。
關(guān)鍵詞:線性光耦(IL300-F-X009);模擬信號(hào);電壓檢測(cè)
0 引言
在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,經(jīng)常需要將一些現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集到單片機(jī)中,被采集的信號(hào)既可能是數(shù)字信號(hào),也可能是模擬信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)電平線性轉(zhuǎn)換以及不把現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(duì)模擬電壓信號(hào)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(duì)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(hào)的輸入端,當(dāng)有電流流過時(shí)就會(huì)發(fā)光,兩個(gè)光敏二極管在有光照射時(shí)就會(huì)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(huì)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(cè)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(cè)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(hào)隔離的極佳解決方案。[!--empirenews.page--]
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(dòng)LED發(fā)光把電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)。LED發(fā)出的光被PD1探測(cè)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(huì)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(cè)永磁同步交流電機(jī)母線電流,如圖3所示。霍爾傳感器電路采用ACS712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(cè)出ACS712的電壓輸出值即可換算出被測(cè)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(hào),經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳輸給DSP數(shù)值信號(hào)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(duì)霍爾傳感器電路檢測(cè)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(cè)量信號(hào),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(cè)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(jí)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。
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根據(jù)IL300芯片手冊(cè)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(cè)隔離電路用于對(duì)5 V以下電壓進(jìn)行檢測(cè)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(cè)電路的精確性,此電壓檢測(cè)隔離電路基本實(shí)現(xiàn)了Vout與Vin相等。由表1可看出,相對(duì)誤差均在-0.5%~+0.5%范圍內(nèi)。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果證明,該方法測(cè)量電壓線性度好,精度高,適合應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中模擬信號(hào)的檢測(cè)。