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光耦继电器介绍

(2011-7-30 11:42)
线性光耦原理与电路设计

1. 线形光耦介绍

光隔离是一种很常用的信号隔离形式。常用光耦器件及其外围电路组成。由于光耦电路简单,在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到,如UART协议的20mA电流环。对于模拟信号,光耦因为输入输出的线形较差,并且随温度变化较大,限制了其在模拟信号隔离的应用。

对于高频交流模拟信号,变压器隔离是最常见的选择,但对于支流信号却不适用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案,如ADI的AD202,能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度,但这种隔离器件内部先进行电压- 频率转换,对产生的交流信号进行变压器隔离,然后进行频率-电压转换得到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂,体积大,成本高,不适合大规模应用。

模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样,虽然两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电路的非线性特性都是一样的,这样,就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。

市场上的线性光耦有几中可选择的芯片,如Agilent公司的HCNR200/201,TI子公司TOAS的TIL300,CLARE的LOC111等。这里以HCNR200/201为例介绍

2. 芯片介绍与原理说明

HCNR200/201的内部框图如下所示

其中1、2引作为隔离信号的输入,3、4引脚用于反馈,5、6引脚用于输出。1、2引脚之间的电流记作IF,3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。输入信号经过电压-电流转化,电压的变化体现在电流IF 上,IPD1和IPD2基本与IF成线性关系,线性系数分别记为K1和K2,即

K1与K2一般很小(HCNR200是0.50%),并且随温度变化较大(HCNR200 的变化范围在0.25%到0.75%之间),但芯片的设计使得K1和K2相等。在后面可以看到,在合理的外围电路设计中,真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。

HCNR200和HCNR201的内部结构完全相同,差别在于一些指标上。相对于HCNR200,HCNR201提供更高的线性度。

采用HCNR200/201进行隔离的一些指标如下所示:

* 线性度:HCNR200:0.25%,HCNR201:0.05%;

* 线性系数K3:HCNR200:15%,HCNR201:5%;

* 温度系数: -65ppm/oC;

* 隔离电压:1414V;

* 信号带宽:直流到大于1MHz。

从上面可以看出,和普通光耦一样,线性光耦真正隔离的是电流,要想真正隔离电压,需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助电路。下面对HCNR200/201的典型电路进行分析,对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。

3. 典型电路分析

Agilent公司的HCNR200/201的手册上给出了多种实用电路,其中较为典型的一种如下图所示:

图2

设输入端电压为Vin,输出端电压为Vout,光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2,显然,,和之间的关系取决于和之间的关系。

将前级运放的电路提出来看,如下图所示:

设运放负端的电压为,运放输出端的电压为,在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系:

Vo=Voo-GVi  (1)

其中是在运放输入差模为0时的输出电压,G为运放的增益,一般比较大。

忽略运放负端的输入电流,可以认为通过R1的电流为IP1,根据R1的欧姆定律得:

通过R3两端的电流为IF,根据欧姆定律得:

其中,为光耦2脚的电压,考虑到LED导通时的电压()基本不变,这里的作为常数对待。

根据光耦的特性,即

    K1=IP1/IF  (4)

将和的表达式代入上式,可得:


    上式经变形可得到:

将的表达式代入(3)式可得:

考虑到G特别大,则可以做以下近似:

这样,输出与输入电压的关系如下:

可见,在上述电路中,输出和输入成正比,并且比例系数只由K3和R1、R2确定。一般选R1=R2,达到只隔离不放大的目的。

4. 辅助电路与参数确定

上面的推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内的,要想做到这一点需要对运放进行合理选型,并且确定电阻的阻值。

4.1 运放选型

运放可以是单电源供电或正负电源供电,上面给出的是单电源供电的例子。为了能使输入范围能够从0到VCC,需要运放能够满摆幅工作,另外,运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。TI公司的LMV321单运放电路能够满足以上要求,可以作为HCNR200/201的外围电路。

4.2 阻值确定

电阻的选型需要考虑运放的线性范围和线性光耦的最大工作电流IFmax。K1已知的情况下,IFmax又确定了IPD1的最大值IPD1max,这样,由于Vo的范围最小可以为0,这样,由于

考虑到IFmax大有利于能量的传输,这样,一般取

另外,由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性,因此,考虑IPD1的限制,

这样,

R2的确定可以根据所需要的放大倍数确定,例如如果不需要方法,只需将R2=R1即可。

另外由于光耦会产生一些高频的噪声,通常在R2处并联电容,构成低通滤波器,具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。

4.3 参数确定实例

假设确定Vcc=5V,输入在0-4V之间,输出等于输入,采用LMV321运放芯片以及上面电路,下面给出参数确定的过程。

* 确定IFmax:HCNR200/201的手册上推荐器件工作的25mA左右;

* 确定R3:R3=5V/25mA=200;

* 确定R1:;

* 确定R2:R2=R1=32K。

5. 总结

本文给出了线性光耦的简单介绍以及电路设计、参数选择等使用中的注意事项与参考设计,并对电路的设计方法给出相应的推导与解释,供广大电子工程师参考。

载自:http://www.avrw.com/article/art_110_2541.htm

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载自:http://blog.ednchina.com/tengjingshu/354023/message.aspx

说说光耦继电器

   

        光耦继电器是固态继电器的一种。英文是Solid State Optronics Relay。一般继电器都是机械触点,靠通电流过线圈变成有磁性的磁铁吸合触点,从而控制开光状态。而光耦继电器工作原理类似于光耦(其实看等效电路图是一样的)。

 

首先要搞清楚继电器的几个专业术语:

Form A=常开触点

Form B=常闭触点

Form C=转换触点

Form E=双稳态开关

AT=安培匝数  用于描述磁场灵敏度的参数

NC是常闭触点normal close   
NO是常开触点normal open

 

理解了上面的专业术语也就能看懂DataSheet上名词了。如我的C8051F板子上用到的Panasonic的AQW610。在AQW610的DataSheet上些着这个继电器是“Form A&B”就是,既有常开触点,也有长闭触点。

 

 

 

可以看一下AQW610的等效电路图:

 

 

有一个常开触点,一个常闭触点。

 

光耦继电器(MOS输出)特点:

>无触点,因此没有触点的磨损,使用寿命是无限的;

>无震动和弹跳;防震,抗摔性;

>无动作声音;

>小体积(有直插和贴片两种封装),高信赖性;

>AC/DC兼用;

>高速切换;

>低放电电压;

>低动作电流(省电流);

>低开路时的漏电电流;

>输入与输出间完全绝缘。

>可控制各种负载(继电器、电灯、发光二极管、加热器、马达、电磁吸筒等)。

 

balabala说了一大堆,其实就是说明光耦继电器不像其他继电器,如电磁继电器那样。电磁继电器是有使用寿命的,DataSheet上通常称为Expected Mechanical Life(预估机械寿命)和Expected Electrical Life at Rated Load(预估负载寿命),机械寿命一般在107或108  次,而负载寿命一般在105 次。如NAIS松下TQ系列POLARIZED RELAY(极化继电器),

 

                               NAIS松下TQ系列继电器参数

 

TQ系列继电器Datasheet

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光耦继电器是没有寿命的,发光二极管导通截止,接收二极管导通截止,不会因为老化而坏掉。因此光耦继电器适用于反复需要开关的领域。

 

光耦继电器还有一个优点就是没响声,不会咔嚓咔嚓响:-)

 

继电器触点类型有:1常开、1常闭、1开1闭、2常开、2常闭…..

总之很多很多,按需求选择。

其实光耦继电器按输出结构也可以分为MOS(场效应管)输出或SCR(可控硅整流管)输出。

MOS输出的负载电流比较小(通常几百mA),而如果是SCR输出的负载电流比较大(能达到几mA)。

如:Solid State Optronics的AD2C101 mos管输出

 

 

     输出负载电流最大为100mA。

             

 

 

   而同是Solid State Optronics的SP646 SCR输出。

 

    

     输出负载电流最大为1.2A。

 

 

AD2C101 DataSheet

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SP646   Datasheet

(203.19 K) 该附件被下载次数 80

 

 

应用领域:

广泛应用于测量仪器、通讯器械、工业器械、医疗器械、安全系统、家电、办公自动化、监测系统等领域。

 

继电器的作用与原理:

继电器说白了小电流或低电压或小功率控制大电流或高电压或大功率的设备。至于继电器的原理可以参考下面文章

Understanding RELAYS, Kevin R.Sullivan

(549.45 K) 该附件被下载次数 102

 

光耦继电器的应用电路

 

 

                                       1 Form A / 1 Form B Connection

 

        Vin有电压输入,有电流从1管脚流到2管脚,管脚8和管脚7不导通(原来是常闭合导通的)。同样,Vin有电压输入,有电流从3管脚流到4管脚,管脚6和管脚5导通(原来是常开截止的)。

    现在要计算限流电阻R的值。限流电阻R的值由下面公式决定:

 

R = (Vin - Vled) / Iled        (1)

 在这公式中:
R 是输入限流电阻( the input resistor)
Vin是输入控制信号(the input control signal source)
Vled是LED正向压降电压(the forward voltage drop across the LED)
Iled是流过LED的正向电流(the desired forward current through the LED)

 

假设是在一个标准TTL的电路里,光耦继电器采用AQW610。

Vin =5V

Vled  =1.5V

Iled   =5mA(比maximum的3mA都要大)

 

   

 

因此限流电阻R=700Ω。

 

 

一个Form A和一个Form B 继电器组成一个Form C继电器

什么是Form C继电器呢?感觉就像一个单刀双掷的开光,底座上有一个闸刀开关,有两个接触片。闸刀在两个接触片必选其一连接。

 

SPDT Single-Pole Double-Throw 单刀双掷

 

 

 

 

         连接管脚2和管脚3,输出端连接管脚6和管脚7,那么管脚6和管脚7就成为“单刀”,管脚8和管脚5就成为“双掷”“两个接触片”。在没有Vin的时候,“单刀”是与管脚8这个“接触片”连在一起的。当有Vin,两个发光二极管导通时,“单刀”是与管脚5“接触片”连在一起。

Vin =5V

Vled  =3V

Iled   =5mA

此时Vled 应该是两个发光二极管的正向压降。、

这样限流电阻R=400Ω。

 

上面计算参考文章

AN020

Converting a 1 Form A / 1 Form B Relay into a 1 Form C Relay

                                          

(77.66 K) 该附件被下载次数 51

 

BTW(by the way):

        开头说到光耦继电器像光耦,其实确实像,但还要考虑一个因素,就是开关时间。继电器开关时间慢(ms量级),而光耦开关时间快(us量级)。下面从AQW610和光耦4N25的DataSheet可以看出。

 

 

 

 

 

   光耦继电器AQW610数据手册

(89.88 K) 该附件被下载次数 53

 

光耦合器(optical coupler,英文缩写为OC)亦称光电隔离器,简称光耦

 

 

 

 

光耦4N25数据手册

(101.98 K) 该附件被下载次数 1325

 

 

光耦继电器主要生产厂家

1)      Panasonic——PhotoMOS

http://pewa.panasonic.com/pcsd/product/pmos/index.html

2)      欧姆龙——MOS FET继电器

http://www.ecb.omron.com.cn/product/relay/mosfet/20v/

3)Solid State Optronics

http://www.ssousa.com/product.asp

 

点击上面的网页,通过实际应用,根据开闭需求,继电器数目,输出结构等选择适合的光耦固态继电器。

 

 

关于Solid State Optronics Relay的其他介绍可以参考下面的文章:

Current Application Notes

AN010

Connecting a Solid State Relay for DC Switching

AN015

Introduction to Telecommunications

AN020

Converting a 1 Form A / 1 Form B Relay into a 1 Form C Relay

AN025

Zero-Volt Switching Characteristics

AN030

Loop Current Detection with the TR115

AN035

Current Limiting

AN040

Solid State Relays vs. Electromechanical Relays

AN045

Current Limiting vs. Current Interrupting

AN050

Failure Mode of SCR-Output Relays vs. MOSFET-Output Relays at High Temperature

AN060

SLC800 Linear Optocoupler In An Isolation Amplifier Circuit

AN065

Application Note 065 Using the SLC800 and STS700 in a Modem Data Access Arrangement (DAA)

评 论
1楼 52RD网友 发表于 2015-4-8 21:51 回复
不错,很受用
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