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，這類光耦適合于開關信號的傳輸，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 ?！　【€性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號時性能較好，能以線性特性進行隔離控制，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。開關電源中常用的光耦是線性光耦。

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

        在工業(yè)測量和控制系統(tǒng)中，為防止外界的各種干擾，必須將測量系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)進行電氣隔離。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，價格便宜，隔離電路簡單且可以完全消除前后級的相互干擾，具有更強的抗干擾能力。     

    

一．hcnr201

       hcnr201由一個高性能發(fā)光二極管led和兩個相鄰匹配的光敏二極管pd1和pd2組成，這兩個光敏二極管有完全相同的性能參數(shù)。led是隔離信號的輸入端，當有電流流過時就會發(fā)光，兩個光敏二極管在有光照射時就會產(chǎn)生光電流，hcnr201的內(nèi)部封裝結構使得pd1和pd2都能從led得到近似光照，且感應出正比于led發(fā)光強度的光電流。光敏二極管pd1起負反饋作用用于消除led的非線性和偏差特性帶來的誤差，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)生與光強成正比的輸出電流，達到輸入及輸出電路間電流隔離的作用。正是hncnr201內(nèi)部的封裝結構、pd1與pd2的嚴格比例關系及pd1負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個精密電阻構成，把輸入的直流48伏電降低到約0.4伏再輸入到整個線性光藕電路的輸入部分。

        

       hcnr201的led、pd1及運放a1等組成隔離電路的輸入部分，pd2及運放a2等組成隔離電路的輸出部分。設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)光強度，從而對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。運算放大器a1的作用是把電壓信號轉(zhuǎn)變成電流信號，運算放大器a2的作用是把光耦輸出的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并增強負載驅(qū)動能力。

       隔離電路中pd1形成了負反饋，當有電壓vin輸入時，運放a1的輸出使led上有電流if流過，且輸入電壓的變化體現(xiàn)在電流if上，并驅(qū)動led發(fā)光把電信號轉(zhuǎn)變成光信號。led發(fā)出的光被pd1探測到并產(chǎn)生光電流ipd1。同時，輸入電壓vin也會產(chǎn)生電流流過r1。假定a1是理想運放，則沒有電流流入a1的輸入端，流過r1的電流將會流過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的光輸出特性無關。又因led發(fā)出的光同時照射在兩個光敏二極管上，且pd1和pd2完全相同的，理想情況下ipd2應該等于ipd1。定義一個系數(shù)k，有ipd1=kipd2，k約為1±5%(當芯片制作完成后隨之確定)。運放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個方程得到輸出電壓和輸入電壓關系：vout/vin=kr2/r1，因此，輸出電壓vout具有穩(wěn)定性和線性，其增益可通過調(diào)整r2與r1的值來實現(xiàn)，通常取r1和r2的值相同。

    

二．使用變壓器隔離的電路

見下圖

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

       測量電壓時，輸入電阻R20要串聯(lián)在傳感器的原邊回路上，并且為使傳感器達到最佳測量精度，盡量選擇，輸入電阻R20的大小使輸入電流在10mA左右，因此，對于要檢測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，通過此霍爾電壓傳感器后輸出電流在25 mA左右，電路圖中的負載電阻為R25和R26的串聯(lián)，串聯(lián)阻值為110歐姆，因此，對于外接直流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，價格不便宜，也增大了整機功耗。

    

三  銳能微RN0832B電量計量芯片

通過SPI口與外部CPU進行通訊。能對交流三相三線、三相四線制和直流電進行電量計量，提供七路 ADC 通道，其中電壓輸入端3個，電流輸入端為4個。

先要確定零點校正，

        然后標定外部電壓值與芯片電壓輸入端的對應關系，如外部48V電壓對應于芯片電壓輸入端0.4V的電壓, 即當芯片電壓輸入端檢測到芯片電壓輸入端的電壓為0.4V時,就確定外部實際的電壓為48V,其余類推。

       還要標定外部電流值與芯片電流輸入端的對應關系，如外部100A電流對應于芯片電流輸入端0.4V的電壓, 即當芯片電流輸入端檢測到電壓為0.4V時,就確定外部實際的電流值為100A,其余類推。

       需要說明的是，在檢測電流時，一般使用霍爾電流傳感器，采用非接觸的方式，讓待測電線穿過霍爾電流傳感器的線圈的中心，待測電線里有電流流過，可被霍爾電流傳感器的霍爾元件感應到并進行檢測，然后把感應到的電流值轉(zhuǎn)換成0-4V的電壓值輸出，再經(jīng)過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)品中需要對人體、設備等進行安全防護，電路設計工程師一般都會選擇一款合適的隔離器來保護產(chǎn)品。目前常見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)在市場上存在50年左右了，磁感隔離器和電容式隔離器進入市場10年，后兩者對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)在市場上使用50年左右了，但大部分工程師常常對光耦還是不能順暢選型，導致產(chǎn)品出現(xiàn)失誤。光耦選型一般除了考慮耐壓等級外，還要考慮比電容式隔離更為復雜的電流傳輸比（CTR）、輸入輸出電壓模式、上拉下拉電阻阻值，加之光耦又細分很多種類DC光耦、AC光耦、達林頓光耦、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1Mbps速度以上的才真正標識出具體的速度。除此之外，由于光耦的內(nèi)部是依靠光來作為信號的載體的，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)動三極管和上拉下拉電阻以獲得更好的信號。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)品售后的嚴重質(zhì)量投訴。

    

四  傳統(tǒng)使用光藕的485隔離電路

見下圖，

     

  五 數(shù)字隔離器即電容式隔離器

完全沒有光耦選型的這些頭疼之事，就考慮以下四個因素就夠了，1、 耐壓等級；2、 信號傳輸速度；3、 輸入輸出電源電壓；4、 信號通道數(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、高共模抗擾、以及高集成度的特點，其能夠承受較為復雜的 EMC 環(huán)境，如 ESD、EFT、浪涌等；隔離耐壓值可達到符合 UL1577 標準的 5kVrms，CMTI 達到 150kV/us；由于集成了數(shù)字隔離和 RS-485 驅(qū)動兩種功能設計，可大幅簡化系統(tǒng)設計復雜度，并減少系統(tǒng) PCB 的面積。具體的電路如下圖所示。