线性光耦器件IL300-F-X009原理及其应用

        在自动控制系统中，经常需要将一些现场信号采集到单片机中，被采集的信号既可能是数字信号，也可能是模拟信号。为了实现电平线性转换以及不把现场的电噪声干扰引入到以DSP数字微处理器为核心的控制系统中来，必须将被测电路和控制电路在电气上实现隔离，光电隔离法是常用的方法。本文给出一种利用光电隔离法对模拟电压信号进行采集的电路，电路中使用了VISHAY公司的IL300-F-X009高精度线性模拟光耦器件，文中对其工作原理进行了介绍，并通过试验证明了此方法的精确性。

        1 IL300-F-X009线性光耦隔离原理

        线性光耦IL300-F-X009内部结构原理如图1所示。IL300-F-X009由一个高性能发光二极管LED和两个相邻匹配的光敏二极管PD1和PD2组成，这两个光敏二极管有完全相同的性能参数。LED是隔离信号的输入端，当有电流流过时就会发光，两个光敏二极管在有光照射时就会产生光电流，IL300-F-X009的内部封装结构使得PD1和PD2都能从LED得到近似光照，且感应出正比于LED发光强度的光电流。光敏二极管PD1起负反馈作用，用于消除LED的非线性和偏差特性带来的误差，改善输入与输出电路间的线性和温度特性，稳定电路性能。光敏二极管PD2是线性光耦的输出端，接收由LED发出的光线而产生与光强成正比的输出电流，达到输入及输出电路间电流隔离的作用。正是IL300-F-X009内部的封装结构、PD1与PD2的严格比例关系及PD1负反馈的作用保证了线性光耦的高稳定性和高线性度。 

        当IL300-F-X009内部的LED中流过电流IF时，其所发出的光会在PD1和PD2中感应出正比于LED发光强度的光电流Ip1和Ip2，其中IF、Ip1、Ip2满足以下关系式： 

        式(1)中K1、K2分别为输入、输出光电二极管的电流传输比，其典型值均为0．7%左右。IF的范围在5 mA～20 mA之间，能够获得最好的线性关系。此时Ip1和Ip2的电流一般在200μA以下。K3被定义为传输增益，其输出侧光电流(Ip2)和输入侧光电流(Ip1)之比是一个恒定值，IL300-F-X009的传输增益K3的范围在0．945～1．061倍之间。PD1接入到输入电路，用来检测和稳定发光二极管发光的强度，PD2作为输出电路的一部分与测量电路实现了电气隔离。PD1和PD2安装位置的精确性以及元件先进的封装设计保证了该元件的高线性性和增益的稳定性。IL3 00-F-X009的最大非线性有±0．5%，最大输入电流250 mA，是模拟信号隔离的极佳解决方案。

        2 线性光耦IL300-F-X009隔离电路

        2．1 工作原理

        如图2所示，IL300-F-X009的LED、PD1及运放U1等组成隔离电路的输入部分，PD2及运放U2等组成隔离电路的输出部分。隔离电路输入电压为Vin，输出电压为Vout，发光二极管LED上电流为IF，光敏二极管PD1上产生的电流为Ip1，光敏二极管PD2上产生的电流为而Ip2。 

        图2隔离电路中PD1形成了负反馈，当电压Vin输入时，运放U1的输出使LED上有电流IF流过，且输入电压的变化体现在电流IF上，并驱动LED发光把电信号转变成光信号。LED发出的光被PD1探测到并产生光电流Ip1。根据运算放大器“虚断路”和“虚短路”特性，输入电压Vin也会产生电流流过R1，Ip1=Vin/R1，Ip1取决于输入电压Vin和R1的值。LED发出的光同时照射在两个光敏二极管上PD1和PD2，由式(1)可得到：Ip2=K3×Ip1，K3的范围在0．945～1．061倍之间。运放U3和电阻R2把Ip2转变成输出电压Vout，Vout=Ip2×R2，组合上面的3个等式得到输出电压Vout和输入电压Vin的关系：Vout/Vin=K3·R2/R1。电容C1为反馈电容，消除噪声干扰，提高电路的稳定性。因此，输出电压Vout具有稳定性和线性，其增益可通过调整R2与R1的值来实现。

        2．2 线性光耦(IL300-F-X009)的应用 

        本文将线性光耦(IL300-F-X009)隔离电路应用于检测永磁同步交流电机母线电流，如图3所示。霍尔传感器电路采用ACS712元件，ACS7 12是常用的电流传感器元件，其输出电压与输入电流为正比例关系，只要测出ACS712的电压输出值即可换算出被测永磁同步交流电机母线的电流值。霍尔传感器电路(ACS712)将永磁同步交流电机母线的电流值变化转化为电压信号，经过A/D转换后传输给DSP数值信号处理器解算出永磁同步交流电机母线的电流。采用线性光耦隔离电路对霍尔传感器电路检测永磁同步交流电机母线电流进行隔离，防止外界干扰的同时，还达到高精度的传输测量信号，即隔离电路前后电压一致，满足实际应用的要求。实验电路原理图如图3所示。 

        2．3 确定线性光耦隔离电路的参数值

        本试验选取VCC和VDD都为+5 V，但不共地的电源电压，Vin的输入电压范围0 V～5 V，Vout的输出电压范围0 V～5 V，如图2所示。根据IL300芯片手册说明，如图4和图5所示，可知，在环境温度为25℃，流过IL300-F-X009内的发光二极管LED的正向电流为IF=10 mA时，其传输增益K3=1，发光二极管LED的正向电压VF=1．25 V。设输入电压Vin=5 V，则第一级运放LM358输出的电压V1=5 V，因此，由以上分析可以计算出R2的电阻值。 

        根据IL300芯片手册说明，如图6所示，可知，在环境温度为25℃，当流过IL300-F-X009内的发光二极管LED的电流IF=10 mA时，则Ip1= 70μA，此时，V2=Vin=5 V，因此，可以计算出R1的电阻值。由式(1)可知，要实现Vout=Vin，那么R3=R1。 

        3 结论

        本文所设计的电压检测隔离电路用于对5 V以下电压进行检测与隔离，通过多次实验比较，最后，选取R1=50 kΩ、R2=240 Ω和R3=50 kΩ，可在较大程度上提高检测电路的精确性，此电压检测隔离电路基本实现了Vout与Vin相等。由表1可看出，相对误差均在-0．5%～+0．5%范围内。通过实验测量数据可以发现，线性光耦IL300-F-X009隔离电路有很好的稳定性和线性。 

       本文介绍了利用线性光耦器件IL300-F-X009进行模拟电压电气隔离的基本原理和硬件电路。由本电路的测量数据结果证明，该方法测量电压线性度好，精度高，适合应用于自动控制系统中模拟信号的检测。