光耦线性化与线性光耦器件的应用

　摘　要：比较全面的介绍了光耦器件在模拟信号隔离测试中的应用，并且指出了保证测试精度需要采取的措施。
关键词：光耦；线性；反馈；模拟信号

1　引　言
在单片机测试系统的设计过程中，被测试对象信号的隔离对整个系统的正常工作具有重要作用。这里主要有两方面的考虑：
（1）保护被测试对象和测试电路，使其不会因为被测试对象或测试电路的故障而影响整个系统的工作。
（2）减小环境干扰对测试电路的影响。为保护后级设备、保证测量结果的有效性，测试电路与被测电路必须做到严格的电气隔离。
光电耦合器因其良好的性能和抗干扰能力而被广泛地应用于输入和输出信号的电气隔离。但是，在利用光电耦合器的线性耦合直接对模拟信号进行隔离传输时，由于光电耦合器内部发光二级管和光敏三级管的伏安特性，使得光电耦合器的“线性区”实际上比较小并且存在一定程度的非线性失真。由于光电耦合器件非线性的输入输出特性所限，一般来讲，光耦器件主要应用于数字信号的隔离，而较少用于模拟信号的隔离。
目前对于模拟电信号的隔离主要有2种方法：一种是采用诸如霍尔器件等特殊传感器，但其价格较贵；另一种是首先进行A／D转换或V／F转换，再用光耦进行隔离的方法，但处理过程较为复杂，并且不能使用单片机内置的A／D口。如果能够使用光耦器件完成对模拟信号的隔离，无疑是很有意义的。

2　普通光耦器件的线性化使用
光电耦合器由发光器和受光器2部分组成，发光器是一个发光二级管，受光器是一个光敏三级管，二者密封在同一管壳内。当受光器接受光照时，产生电流输出。由于电信号以光线为传输介质，因而实现了输入和输出信号在电气上的良好隔离。但是，在利用光电耦合器的线性耦合直接对模拟信号进行隔离传输时，由于光电耦合器内部发光二级管和光敏三级管的伏安特性，使得光电耦合器的“线性区”实际上存在一定程度的非线性失真。
可以设想，如果采取措施使光耦器件的非线性问题得以改善，那么利用光耦进行模拟信号的隔离是可能的。根据以上假设，我们想到控制理论中反馈控制的特点，其中很重要的一点就是引入负反馈可以改善系统的线性度。
基于此想法，设计了如图1所示的电路进行模拟量的隔离测量。
在本电路中，使用了2个普通光耦器件和2个运算放大器，2个光耦一个用于输出，一个用于反馈，反馈用来补偿发光二极管时间、温度特性的非线性。下面我们来分析一下电路的工作原理。

比较全面地介绍了光耦器件在模拟信号隔离测试中的应用，并且指出了保证测试精度需要采取的措施。
如果图1中2个光耦选用同一型号同一批次的产品，那么特性基本一致，即有：K1＝K2
所以：


从上式可以看出，该测量电路的电压增益只与电阻R1，R2的阻值有关，而与光耦的电流传输比等特性无关，从而实现了对电压信号的线性隔离。
需要特别指出的是，在图1所示电路中，必须使用隔离电源。

3　线性光耦器件的应用
这里说的线性光耦器件有2种：无反馈型和反馈 型，我们先介绍无反馈型。
无反馈型线性光耦器件实际上是在器件的材料和生产工艺上采取一定措施，使得光耦器件的输入输出特性的非线性得到改善。但是，由于发光二极管和光电三极管的固有特性，改善十分有限。这种光耦器件主要用于对线性区的范围要求不大的情况，例如开关电源的电压隔离反馈电路中经常使用的PC816A和 NEC2501H等线性光耦。
由于开关电源在正常工作时的电压调整率不大，通过对反馈电路参数的适当选择，就可以使光耦器件工作在线性区。但是，由于这种光耦器件只是在有限的范围内线性度较高，所以不适合使用在对测试精度以及范围要求较高的场合。
另一种线性光耦是反馈型器件，其作用原理与前面介绍过的普通光耦器件线性化使用的原理类似，只不过他在生产工艺上采取了一定措施，使同一片器件中的2个光耦的特性更加趋于一致。这种器件例如德州仪器公司曾经出品现已停产的TIL300A，CLARE公司生产的LOC系列线性光耦，惠普公司生产的 HCNR200／201线性光耦等。
图2所示是一个采用LOC110线性光耦实现的隔离放大器。

4　实际使用中应注意的问题
对于单片机测试系统而言，如果对被测试量的量程（变化范围）要求较大、精度要求较高时，使用反馈型线性光耦器件无疑是比较合适的。
但是，在光耦的线性化使用或者说在使用线性光耦器件的过程中，其线性度往往并不能完全令人满意。这是为什么呢？根据我们的实践经验，关键在于要充分理解光耦器件自身的一些特点以及在光耦器件中使用反馈机制改善线性度的原理，只要在设计过程中合理地选择器件和小心设计电路，即使采用我们介绍过的第一种方法，采用普通光耦器件，也同样能达到很好的效果，这里要注意以下几点：
（1）必须充分认识到光耦为电流驱动型器件，要合理选择反馈电路中所使用的运放，必须保证运放拥有合适的负载能力，以便在正常工作时驱动光电二极管。
（2）当采用普通光耦器件时，要尽量采用多光耦 器件，而不要采用单光耦器件。因为多个光耦集成在一片芯片上有利于从材料及工艺的角度保证多个光耦之间特性趋于一致，而正是由于2个光耦特性的一致才保证了反馈对改善线性的作用。
（3）由于线性光耦在使用过程中引入了反馈机制，所以不适用于被测信号变化太快或者频率很高的场合。
根据以上原则，我们曾先后使用普通光耦器件和反馈型线性光耦器件成功地在电力直流系统监控模块中实现了对直流母线电压信号的采集与隔离，其线性度和精度都是令人满意的。