HCNR200和HCNR201在電機(jī)驅(qū)動和電流回路中的應(yīng)用

介紹
本文介紹了HCNR200和HCNR201高線性模擬光耦合器的操作和應(yīng)用。詳細(xì)介紹了光耦合器的內(nèi)部操作和伺服控制機(jī)制。本文給出了一些應(yīng)用實(shí)例，從電機(jī)控制電流傳感到傳統(tǒng)的過程控制中的電流回路通信。本文還介紹了這些光耦合器的評估板。

HCNR200/201高線性模擬光耦合器由一個高性能的砷化鋁鎵LED組成，它可以照亮兩個緊密匹配的光電二極管，PD1和PD2，如圖1所示。輸入光電二極管，PD1可用于監(jiān)測，從而穩(wěn)定，LED的光輸出。因此，LED的非線性和漂移特性可以實(shí)際上被消除。輸出光電二極管PD2產(chǎn)生與LED的光輸出線性相關(guān)的光電流。光電二極管的緊密匹配與封裝的先進(jìn)設(shè)計，保證了光耦合器的高線性度和穩(wěn)定的增益特性[1].HCNR200/201有400毫升寬體DIP-8封裝（見圖2），具有鷗翼表面安裝選項(xiàng)。表1顯示了HNCR200/201的選擇指南。

HCNR200/201可用于隔離模擬信號，需要良好的穩(wěn)定性、線性度、帶寬和低成本。HCNR200/201非常靈活，通過適當(dāng)?shù)膽?yīng)用電路設(shè)計，能夠在多種不同的模式下工作，包括：單極/雙極、交流/直流和反相/非反相。HCNR200/201是解決許多模擬隔離問題的一個很好的解決方案，其中我們在這里討論了幾個應(yīng)用實(shí)例。

圖1.HCNR200和HCNR201的示意圖。

圖2.HCNR200和HCNR201400mil寬體DIP-8軟件包。

表1。HCNR200和HCNR201的選擇指南。

圖3。一個典型的電機(jī)驅(qū)動方框圖。

操作理論

操作1，p。從圖4A可以看出，電路可能不明顯，特別是電路的輸入部分。運(yùn)放器總是試圖保持相同的輸入電壓在其兩個輸入在一個線性反饋，閉環(huán)連接。因此，輸入側(cè)運(yùn)放器A1總是試圖在光電二極管PD1上放置零伏?，F(xiàn)在，如果有一些正電壓文+如果應(yīng)用于輸入端，運(yùn)放輸出將傾向于擺動到負(fù)軌道，導(dǎo)致LED電流流動。

這個VIN+將導(dǎo)致一個電流流過R1，并且LED光的輸出將被PD1檢測到，從而產(chǎn)生一個電流IPD1.假設(shè)A1是一個完美的運(yùn)算放，沒有電流流入A1的輸入；因此，所有流過R1的電流都將流過PD1。由于A1的“+”輸入是0V，通過R1的電流，因此IPD1同樣，也等于VIN+/R1，或IPD1=文+/r1.

請注意IPD1只取決于輸入電壓和r1的值與LED的光輸出特性無關(guān)。當(dāng)LED的光輸出隨溫度變化時，放大器A1進(jìn)行調(diào)整如果以補(bǔ)償并保持PD1中的恒定電流。也要注意IPD1正與文+，給出了輸入電壓和光電二極管電流之間的非常線性關(guān)系。光電二極管的輸入光功率和輸出電流之間的關(guān)系是非常線性的。因此，通過穩(wěn)定和線性化IPD1，LED的光輸出也被穩(wěn)定和線性化。由于LED的光落在兩個光電二極管上，IPD2也會穩(wěn)定下來。

由于PD1和PD2彼此相同，IPD2應(yīng)等于IPD1完美地在現(xiàn)實(shí)中，這種關(guān)系包括一個系數(shù)K3.所以我們有IPD2=K3xIPD1,在哪里K3數(shù)據(jù)表是傳輸增益中定義的(K3=IPD2/IPD1=1).放大器A2和電阻R2形成一個跨電阻放大器，可以轉(zhuǎn)換IPD2回到電壓，虛擬輸出在哪里虛擬輸出=IPD2xR2.結(jié)合上述三個方程，得到一個總體的前-表示輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系的表達(dá)式，VOUT/VIN+=K3x（R2/R1）。

因此，兩者之間的關(guān)系文+和虛擬輸出是恒定的，線性的，并且與LED的光輸出特性無關(guān)。僅通過調(diào)整R2與R1的比值，即可調(diào)整模擬隔離塊電路的增益。

圖4A為單極配置，只容納正電壓輸入。圖4B被配置為容納雙極輸入（一個同時發(fā)生正波動和負(fù)波動的信號）。兩個當(dāng)前源，IOS1和IOS2，被添加以偏移信號，使它似乎是單極的光耦合器。電流源IOS1提供足夠的偏移量，以確保IPD1總是積極的。第二個當(dāng)前源，IOS2，提供一個偏移量，以獲得所需值的凈電路偏移量電壓(e。g.,如果同時使用正、負(fù)電源，則可能需要0V，而中間電壓可能更適合于單個正電源電路的情況)。當(dāng)前來源IOS1和IOS2可以簡單地實(shí)現(xiàn)為將電阻連接到合適的電壓源。請注意，偏移量的性能取決于的匹配IOS1和IOS2而且也依賴于光耦合器的增益。

圖4。(A)單極輸入和(B)雙極輸入的模擬隔離塊的簡化原理圖。

用于電流感應(yīng)和電壓監(jiān)測的隔離放大器

除了HCNR200和HCNR201外，還提供了一系列微型隔離放大器和隔離A/D轉(zhuǎn)換器，用于與單片機(jī)或數(shù)字信號處理（DSP）單元的直接接口，以服務(wù)于電流傳感和電壓監(jiān)測的目的。這種復(fù)雜的模擬光電隔離器越來越取代霍爾效應(yīng)傳感器來測量和監(jiān)測反饋參數(shù)，如交流相電流、直流軌道/母線電流、直流母線電壓和溫度。

使用隔離放大器和隔離的A/D轉(zhuǎn)換器的一些關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn):

1. 可靠性高，使用壽命長，變速/頻率控制能力
2. 變速/頻率控制能力
3. 包裝尺寸和占地面積較小
4. 低功耗
5. 低成本
6. 安全光隔離（電流隔離）
7. 監(jiān)管機(jī)構(gòu)和安全機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)

當(dāng)前的環(huán)路通信應(yīng)用程序

在過程控制行業(yè)中，電流回路已成為傳感器信號傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)方法[4].這種方法對于長距離傳輸（最高可達(dá)10公里）特別有用。電流回路是一個非常靈活的通信接口。有幾種類型的電流回路：模擬（線性電流表示模擬信號）、邏輯（高和低邏輯電平表示MARK和空間狀態(tài)），以及使用HART?（高速公路可尋址遠(yuǎn)程換能器）通信協(xié)議的組合模擬和數(shù)字電流回路。

與電壓信號相比，電流回路具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 對噪聲不敏感，對線阻抗產(chǎn)生的誤差免疫
2. 無幅度損耗的長距離傳輸
3. Subarub便宜的2線電纜
4. Subarb低EMI靈敏度
5. 檢測離線傳感器、傳輸線路中斷和其他故障

在4-20mA電流回路中添加絕緣材料對于保護(hù)系統(tǒng)電子設(shè)備免受電子噪聲和瞬變現(xiàn)象的影響非常重要，這在工業(yè)過程監(jiān)測應(yīng)用中很常見。絕緣屏障允許傳感器被電流隔開數(shù)百甚至數(shù)千伏特。HCNR200和HCNR201提供了目前最高水平的安全和監(jiān)管性能，這使它們適合于這些應(yīng)用程序。寬體封裝有400毫升的鉛間距，以滿足所要求的外部爬電和間隙要求。

UL/CSAViso耐壓等級為5000Vrms(1分鐘），IEC/EN/DINEN60747-5-2工作電壓規(guī)格為1414Vpeak。施工中設(shè)有內(nèi)部間隙1mm（通過絕緣距離），外部漏電10mm，外部間隙9.6mm。這些裝置不僅適用于需要加強(qiáng)絕緣的應(yīng)用，而且也適用于由于其結(jié)構(gòu)造成的故障安全設(shè)計。除了HCNR200/201之外，HCPL-4100和HCPL-4200光耦合的20mA電流回路發(fā)射器和接收器也分別提供給使用20mA邏輯電流回路[5,6]的系統(tǒng).4-20mA模擬電流回路發(fā)射器和接收機(jī)的示例框圖分別如圖5和6所示。

圖5。一個4-20mA模擬電流回路變送器的方框圖。

圖6。一個4-20mA模擬電流回路接收器的方框圖。

線性輸入范圍

由于HCNR200/201優(yōu)越的性能和設(shè)計靈活性，這些設(shè)備正在看到越來越多的應(yīng)用。這吸引了一些類似的產(chǎn)品進(jìn)入市場。一些產(chǎn)品包括LED和PIN光電二極管，而其他一些產(chǎn)品包括LED和光電晶體管。它們都出現(xiàn)在相似的元件排列中，利用伺服反饋的優(yōu)勢來實(shí)現(xiàn)更好的線性性能。由于固有的高led-光電二極管線性，光電二極管的緊密匹配和封裝的先進(jìn)設(shè)計，確保了HCNR200和HCNR201的高線性和穩(wěn)定的增益特性。這種出色的表現(xiàn)使他們在同齡人中脫穎而出。

除了線性性能的區(qū)別外，在組件選擇過程中還值得考慮的一點(diǎn)是電路的線性輸入范圍（LIR）。電路的LIR決定輸入信號的動態(tài)范圍，可以享受線性要求的片，這又由一個特定的光電-決定普勒的數(shù)據(jù)表中規(guī)定的線性響應(yīng)范圍。例如，在HCNR200和HCNR201數(shù)據(jù)表上，規(guī)定了HCNR200在5nA

必須對應(yīng)用電路拓?fù)溥M(jìn)行假設(shè)，以達(dá)到來自不同供應(yīng)商的各種線性模擬光耦合器的LIR的比較。在這種情況下，已使用圖4A所示的應(yīng)用電路來計算輸入電壓的LIR。從圖7所示的比較圖，可以看出，HCNR200/201有一個更寬的線性響應(yīng)范圍，這意味著電路使用HCNR200/201享有更寬的線性輸入電壓范圍比同行（寬60dB，66dB寬66dB比較B）。

圖7。不同光耦合器的線性輸入范圍的比較。

總結(jié)

在一個典型的應(yīng)用中，一個外部反饋放大器可以與PD1一起用于監(jiān)測LED的光輸出，并自動調(diào)整LED電流，以補(bǔ)償LED的光輸出的任何非線性或變化。反饋放大器的作用是穩(wěn)定和線性化LED的光輸出。然后輸出的光電二極管將LED穩(wěn)定的、線性的光輸出轉(zhuǎn)換為電流，然后由另一個放大器轉(zhuǎn)換回電壓。通過對應(yīng)用電路的適當(dāng)設(shè)計，這些成熟的、通用的模擬光耦合器能夠在多種不同的模式下運(yùn)行，以滿足各種模擬隔離的需求。

審核編輯黃昊宇