光電耦合器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開(kāi)關(guān)信號(hào)的傳輸，輸出為高低電平，不適合于傳輸模擬量。 常用的4N系列光耦屬于非線性光耦 。　　線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號(hào)時(shí)性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制，線性光耦輸出為連續(xù)變化的模擬電壓。 常用的線性光耦是PC817A—C系列。開(kāi)關(guān)電源中常用的光耦是線性光耦。

        利用光耦實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的線性隔離在體積、成本、抗干擾能力和電路復(fù)雜度等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此得到廣泛的應(yīng)用。

        在工業(yè)測(cè)量和控制系統(tǒng)中，為防止外界的各種干擾，必須將測(cè)量系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行電氣隔離。常用的隔離措施有變壓器隔離、電容耦合隔離和光耦隔離。與變壓器隔離、電容耦合隔離相比，光耦體積小，價(jià)格便宜，隔離電路簡(jiǎn)單且可以完全消除前后級(jí)的相互干擾，具有更強(qiáng)的抗干擾能力。     

    

一．hcnr201

       hcnr201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(guò)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，hcnr201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)饔糜糜谙齦ed的非線性和偏差特性帶來(lái)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hncnr201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。

圖中的分壓電路由5個(gè)精密電阻構(gòu)成，把輸入的直流48伏電降低到約0.4伏再輸入到整個(gè)線性光藕電路的輸入部分。

        

       hcnr201的led、pd1及運(yùn)放a1等組成隔離電路的輸入部分，pd2及運(yùn)放a2等組成隔離電路的輸出部分。設(shè)隔離電路輸入電壓為vin，輸出電壓為vout，led上電流為if，二極管pd1上產(chǎn)生的電流為ipd1，二極管pd2上產(chǎn)生的電流為ipd2，

       隔離電路中電阻r1起限流作用。r3用于控制led的發(fā)光強(qiáng)度，從而對(duì)控制通道增益起一定作用。電容c1、c2為反饋電容，用于提高電路的穩(wěn)定性。運(yùn)算放大器a1的作用是把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)，運(yùn)算放大器a2的作用是把光耦輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，并增強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

       隔離電路中pd1形成了負(fù)反饋，當(dāng)有電壓vin輸入時(shí)，運(yùn)放a1的輸出使led上有電流if流過(guò)，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ipd1。同時(shí)，輸入電壓vin也會(huì)產(chǎn)生電流流過(guò)r1。假定a1是理想運(yùn)放，則沒(méi)有電流流入a1的輸入端，流過(guò)r1的電流將會(huì)流過(guò)pd1到地，因此，ipd1=vin/r1。注意，ipd1只取決于輸入電壓vin和r1的值，與led的光輸出特性無(wú)關(guān)。又因led發(fā)出的光同時(shí)照射在兩個(gè)光敏二極管上，且pd1和pd2完全相同的，理想情況下ipd2應(yīng)該等于ipd1。定義一個(gè)系數(shù)k，有ipd1=kipd2，k約為1±5%(當(dāng)芯片制作完成后隨之確定)。運(yùn)放a2和電阻r2把ipd2轉(zhuǎn)變成輸出電壓vout，有vout=ipd2r2，組合上面的3個(gè)方程得到輸出電壓和輸入電壓關(guān)系：vout/vin=kr2/r1，因此，輸出電壓vout具有穩(wěn)定性和線性，其增益可通過(guò)調(diào)整r2與r1的值來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常取r1和r2的值相同。

    

二．使用變壓器隔離的電路

見(jiàn)下圖

       電路中壓敏電阻101KD14( RV1),對(duì)于超過(guò)直流48V的干擾電壓進(jìn)行吸收，電容0.1μF/310VAC（C13）對(duì)于干擾待檢測(cè)的直流電壓，如48V，進(jìn)行濾波。另外，霍爾電壓傳感器VSM025A/10內(nèi)部運(yùn)放需要正負(fù)12V的電壓供電，外部接TVS管AZP 5B消除干擾電壓。

       測(cè)量電壓時(shí)，輸入電阻R20要串聯(lián)在傳感器的原邊回路上，并且為使傳感器達(dá)到最佳測(cè)量精度，盡量選擇，輸入電阻R20的大小使輸入電流在10mA左右，因此，對(duì)于要檢測(cè)48伏的電壓，R20的取值為5K，并且取輸入電阻R20的額定功率在10瓦左右，以保證輸入電阻的穩(wěn)定性。

        輸入電流在10mA左右，通過(guò)此霍爾電壓傳感器后輸出電流在25 mA左右，電路圖中的負(fù)載電阻為R25和R26的串聯(lián)，串聯(lián)阻值為110歐姆，因此，對(duì)于外接直流48V的電壓，霍爾電壓傳感器輸出電壓為2.65V左右，經(jīng)過(guò)R25和R26的分壓，真正加到電量芯片0832的電壓輸入端的電壓為0.25V左右。

采用變壓器隔離，體積大，價(jià)格不便宜，也增大了整機(jī)功耗。

    

三  銳能微RN0832B電量計(jì)量芯片

通過(guò)SPI口與外部CPU進(jìn)行通訊。能對(duì)交流三相三線、三相四線制和直流電進(jìn)行電量計(jì)量，提供七路 ADC 通道，其中電壓輸入端3個(gè)，電流輸入端為4個(gè)。

先要確定零點(diǎn)校正，

        然后標(biāo)定外部電壓值與芯片電壓輸入端的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如外部48V電壓對(duì)應(yīng)于芯片電壓輸入端0.4V的電壓, 即當(dāng)芯片電壓輸入端檢測(cè)到芯片電壓輸入端的電壓為0.4V時(shí),就確定外部實(shí)際的電壓為48V,其余類推。

       還要標(biāo)定外部電流值與芯片電流輸入端的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如外部100A電流對(duì)應(yīng)于芯片電流輸入端0.4V的電壓, 即當(dāng)芯片電流輸入端檢測(cè)到電壓為0.4V時(shí),就確定外部實(shí)際的電流值為100A,其余類推。

       需要說(shuō)明的是，在檢測(cè)電流時(shí)，一般使用霍爾電流傳感器，采用非接觸的方式，讓待測(cè)電線穿過(guò)霍爾電流傳感器的線圈的中心，待測(cè)電線里有電流流過(guò)，可被霍爾電流傳感器的霍爾元件感應(yīng)到并進(jìn)行檢測(cè)，然后把感應(yīng)到的電流值轉(zhuǎn)換成0-4V的電壓值輸出，再經(jīng)過(guò)十分之一的分壓電路后再輸入到芯片RN0832B電流輸入端。

     

       由于很多電子產(chǎn)品中需要對(duì)人體、設(shè)備等進(jìn)行安全防護(hù)，電路設(shè)計(jì)工程師一般都會(huì)選擇一款合適的隔離器來(lái)保護(hù)產(chǎn)品。目前常見(jiàn)隔離器有光電耦合隔離器（光耦）、磁感隔離器、電容式隔離器三種，光耦已經(jīng)在市場(chǎng)上存在50年左右了，磁感隔離器和電容式隔離器進(jìn)入市場(chǎng)10年，后兩者對(duì)于很多工程師還不是太熟悉。

       先談一下光耦，光耦雖然已經(jīng)在市場(chǎng)上使用50年左右了，但大部分工程師常常對(duì)光耦還是不能順暢選型，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)失誤。光耦選型一般除了考慮耐壓等級(jí)外，還要考慮比電容式隔離更為復(fù)雜的電流傳輸比（CTR）、輸入輸出電壓模式、上拉下拉電阻阻值，加之光耦又細(xì)分很多種類DC光耦、AC光耦、達(dá)林頓光耦、可控硅光耦等，又分線性光耦、非線性光耦，只有速度真的超過(guò)1Mbps速度以上的才真正標(biāo)識(shí)出具體的速度。除此之外，由于光耦的內(nèi)部是依靠光來(lái)作為信號(hào)的載體的，在不同溫度條件下LED發(fā)光情況也是不同的，因此需要考慮在不同溫度下充分的余量。還有一個(gè)更為頭疼的事情，那就是根據(jù)輸出的要求不同，要選擇不同的驅(qū)動(dòng)三極管和上拉下拉電阻以獲得更好的信號(hào)。除此之外，光耦本身原理決定了其性能衰減和壽命不佳，老化失效常常成為產(chǎn)品售后的嚴(yán)重質(zhì)量投訴。

    

四  傳統(tǒng)使用光藕的485隔離電路

見(jiàn)下圖，

     

  五 數(shù)字隔離器即電容式隔離器

完全沒(méi)有光耦選型的這些頭疼之事，就考慮以下四個(gè)因素就夠了，1、 耐壓等級(jí)；2、 信號(hào)傳輸速度；3、 輸入輸出電源電壓；4、 信號(hào)通道數(shù)和通訊方向；

  

半雙工隔離 RS-485 芯片 NSi83085 及全雙工隔離 RS-485 芯片 NSi83086 具有高可靠性、高隔離耐壓、高共?？箶_、以及高集成度的特點(diǎn)，其能夠承受較為復(fù)雜的 EMC 環(huán)境，如 ESD、EFT、浪涌等；隔離耐壓值可達(dá)到符合 UL1577 標(biāo)準(zhǔn)的 5kVrms，CMTI 達(dá)到 150kV/us；由于集成了數(shù)字隔離和 RS-485 驅(qū)動(dòng)兩種功能設(shè)計(jì)，可大幅簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，并減少系統(tǒng) PCB 的面積。具體的電路如下圖所示。