基线性光耦HCNR201的电压隔离采集应用电路原理分析

项目需要，对一个从大地过来的电压信号进行采集。因为大地和弱电地工作特性不一样，而且大地上容易出现一些剧烈的干扰信号，因此需要考虑隔离的方式来对电压进行采集。

在这个过程中，了解到了线性光耦HCNR201，它可以实现电压信号的隔离、等比例传输，线性度高。下面是从手册搬来的一些特性：

• 超低非线性度：0.01%（典型值），确保信号传输的线性关系。
• 精准传输增益（K3）：±5%误差，支持高精度模拟隔离。
• 宽带宽：DC至>1 MHz，适用于高速信号场景。
• 多重安全认证：UL 1577、IEC/EN 60747-5-2，满足工业级隔离需求。

光耦部分前后电路如下：

下面说一下应用电路，和选型参数。

一、供电电源

运放这里使用的是+-12V的电源，但是要注意，因为光耦隔离，所以前后的12V是不一样的。供电的电压越高，能采样的信号范围也就算大，而且由于大部分运放输出不是轨到轨的，因此电源电压大一些比较好。

并不是5V不行，需求能满足的情况下也可以，通常选12~15V。

二、工作原理

HCNR201的数据手册中有一个原理示意图，这里的电路拓扑参照该示意图。

图中，LED是光耦内部的发光二极管，负责发光。PD1和PD2是光耦内部的光敏二极管，LED发光时它俩导通，且半导体特性几乎一样。

原理怎么看？

2.1 左侧电路分析

先看左边，Vin为输入信号，接到运放的负端，运放的正端为GND。根据虚短的特性，运放会想办法使负端和正端的电压相等。

于是在负反馈的作用下，运放A1的输出电压变小，LED的发光越来越亮。

变强的光亮度，使得PD1的导通特性增强，能流过更多的电流。

更多的电流产生更大的压降，最终，拉低运放A1负端的电压，使得A1的正端和负端的电压相等，都为GND。

2.2 右侧电路分析

然后看右边。

同样的原理，LED的光照到PD2上面，导致PD2具有一定的导通能力，可以理解为一定的负压。

而PD2接在了运放A2的正端和负端，根据虚短的特性，运放A2也要想办法使正端和负端的电压相等。

于是运放A2增大输出端的电压，大电压经过R2来到PD2上。

当合适的电流流过PD2时，使PD2自身的负压消失，实现运放A2的正端和负端电压相等。

2.3 线性传递

对比左右两侧的电路，照在PD1和PD2的光强度一样，导致它们的导通能力一样。因此，流过这两个二极管的电流也一样。

而电流，同时又收到R1和R2的限制。因此，只要保证R1和R2阻值一样，即可实现电压信号的隔离传递。

至此，线性光耦HCNR201的工作原理分析完毕。

三、参数计算

如何得到R1，R2，R3的值？

或者说，100K和680欧的值是怎么得出来的？

这里要参照数据手册，相关参数如下。

3.1 LED电流计算

流过发光二极管的电流，也就是IF，怎么设置？

手册中有一个推荐的工作范围：

这里推进的电流工作范围是1~20ma，即最大不能超过20ma。实际原理图中，给的是12V的电源，经过LED后，串了一个680欧姆的电阻。

假设LED压降是1.5V，（12-1.5）/680得到15.4ma，这是能流过该LED的最大电流。这个值小于20ma，所以器件安全。

3.2 R1和R2的阻值

如何确定这两个电阻的阻值？

因为这两个电阻是用来限制流过PD1和PD2的电流，因此要结合电压输入信号来考虑。先看流过的电流范围，参考手册中的信息：

这里给出的范围是5na~50ua，下面的note信息也说明PD1和PD2的电流在这个范围内线性度好。

电流有了，假设输入电压是5V，最大电流50ua，根据欧姆定律：

5V/50ua=100K欧姆

得到电阻值100K，因为我这里实际应用不会超过5V电压，因此100K满足需求。

至于运放上面并联的两个电容，经验值330pf即可。

3.3 实测结果

实际测试过程中，从0.5V输入电压到5V的输入电压，逐步依次增加0.5V，测试输出电压，发现线性度良好。应用过程中，分段进行校准即可。

差分输入电压	运放前级电压	隔离输出电压
0.5	0.499	0.504
1	0.997	0.998
1.5	1.497	1.491
2	1.993	1.981
2.5	2.491	2.475
3	2.991	2.968
3.5	3.490	3.462
4	3.989	3.955
4.5	4.49	4.44
5	4.98	4.94

至此，该线性光耦，从原理分析到参数选型，分析完毕。

原理分析并非本人独立完成，参考网上多为前辈资料，感谢分享。

我是单片机爱好者-MCU起航，打完收工！