线性光耦原理与电路设计,4-20mA模拟量隔离模块,PLC采集应用
4~20ma隔离器原理
4~20ma隔离器原理
4~20mA隔离器是一种常用的信号隔离器，用于将4~20mA电流信号转换为其他类型的信号，实现信号的隔离和传输。
其工作原理如下：
1. 输入端：隔离器的输入端接收4~20mA电流信号作为输入信号。
2. 隔离：输入端的信号经过隔离器内部的隔离元件进行隔离，使得输入端与输出端之间电气隔离。
3. 调理：隔离器内部的电路对输入信号进行调理处理，如信号放大、滤波、线性化等。
这样可以增强输入信号的稳定性和准确性。
4. 输出端：经过处理后的信号通过输出端以其他形式输出，如4~20mA电流信号、0~10V电压信号等。
5. 隔离和传输：输入信号和输出信号之间通过隔离器实现电气隔离，确保输入信号不会影响输出信号，并且能够安全地传输信号到目标设备。
总结来说，4~20mA隔离器的工作原理是通过接收输入端的
4~20mA电流信号，经过内部的隔离、调理处理，将处理后的信号通过输出端以其他形式输出，并且实现对输入信号和输出信号之间的电气隔离和传输。
线性光耦原理与电路设计,4-20mA模拟量隔离模块,PLC采集应用
1. 线形光耦介绍光隔离是一种很常用的信号隔离形式。
常用光耦器件及其外围电路组成。
由于光耦电路简单，在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到，如UART协议的20mA电流环。
对于模拟信号，光耦因为输入输出的线形较差，并且随温度变化较大，限制了其在模拟信号隔离的应用。
对于高频交流模拟信号，变压器隔离是最常见的选择，但对于支流信号却不适用。
一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案，如ADI的AD202，能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度，但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换，对产生的交流信号进行变压器隔离，然后进行频率-电压转换得到隔离效果。
集成的隔离放大器内部电路复杂，体积大，成本高，不适合大规模应用。
模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。
线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。
这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。
市场上的线性光耦有几中可选择的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。
这里以HCNR200/201为例介绍2. 芯片介绍与原理说明HCNR200/201的内部框图如下所示其中1、2引作为隔离信号的输入，3、4引脚用于反馈，5、6引脚用于输出。
1、2引脚之间的电流记作IF，3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。
输入信号经过电压-电流转化，电压的变化体现在电流IF上，IPD1和IPD2基本与IF成线性关系，线性系数分别记为K1和 K2,即K1与K2一般很小（HCNR200是0.50%），并且随温度变化较大（HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间），但芯片的设计使得 K1和K2相等。
线性光耦原理与电路设计,4-20mA模拟量隔离模块,PLC采集应用
1. 线形光耦介绍光隔离是一种很常用的信号隔离形式。
常用光耦器件及其外围电路组成。
由于光耦电路简单，在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到，如UART协议的20mA电流环。
对于模拟信号，光耦因为输入输出的线形较差，并且随温度变化较大，限制了其在模拟信号隔离的应用。
对于高频交流模拟信号，变压器隔离是最常见的选择，但对于支流信号却不适用。
一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案，如ADI的AD202，能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度，但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换，对产生的交流信号进行变压器隔离，然后进行频率-电压转换得到隔离效果。
集成的隔离放大器内部电路复杂，体积大，成本高，不适合大规模应用。
模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。
线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。
这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。
市场上的线性光耦有几中可选择的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。
这里以HCNR200/201为例介绍2. 芯片介绍与原理说明HCNR200/201的内部框图如下所示其中1、2引作为隔离信号的输入，3、4引脚用于反馈，5、6引脚用于输出。
1、2引脚之间的电流记作IF，3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。
输入信号经过电压-电流转化，电压的变化体现在电流IF上，IPD1和IPD2基本与IF成线性关系，线性系数分别记为K1和 K2,即K1与K2一般很小（HCNR200是0.50%），并且随温度变化较大（HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间），但芯片的设计使得 K1和K2相等。
plc光耦隔离模块
PLC光耦隔离模块概述PLC光耦隔离模块是一种常用的电子元件，用于将PLC（可编程逻辑控制器）的输入和输出信号进行隔离，以保护PLC和外部设备之间的电路免受干扰和损坏。
光耦隔离模块通过光电转换技术实现信号的隔离传输，具有高速、高精度、低功耗等特点。
本文将详细介绍PLC光耦隔离模块的工作原理、结构和应用场景，并对其优缺点进行分析。
工作原理PLC光耦隔离模块主要由光电转换器、隔离电路和输出电路组成。
其工作原理如下：1.输入信号：PLC的输入信号经过光电转换器转换为光信号。
2.光电转换：光信号被光电转换器转换为电信号。
3.隔离电路：电信号通过隔离电路进行隔离，避免干扰和电流回流。
4.输出电路：隔离后的信号通过输出电路转换为PLC可接受的信号。
通过光电转换和隔离电路的作用，PLC光耦隔离模块实现了输入和输出信号的隔离传输，从而保护了PLC和外部设备之间的电路。
结构PLC光耦隔离模块通常采用模块化设计，具有紧凑的外形和多种接口。
其主要结构包括：1.外壳：通常由塑料或金属材料制成，具有良好的抗干扰性和绝缘性能。
2.输入端子：用于接收PLC的输入信号。
3.输出端子：用于输出隔离后的信号给PLC或外部设备。
4.电源接口：用于连接电源，为光电转换器和隔离电路提供供电。
5.指示灯：用于显示模块的工作状态，如电源、输入、输出等。
应用场景PLC光耦隔离模块广泛应用于工业自动化控制系统中，特别适用于以下场景：1.高电压隔离：当PLC与高电压设备（如电机、变频器等）连接时，光耦隔离模块可以将高电压信号隔离传输，保护PLC的稳定运行。
2.电磁干扰隔离：在工业环境中，电磁干扰是常见的问题。
光耦隔离模块可以有效隔离输入和输出信号，防止电磁干扰对PLC产生干扰。
3.地电隔离：当PLC与地电位不同的设备连接时，光耦隔离模块可以实现地电隔离，避免因地电位差导致的电流回流和损坏。
4.信号转换：光耦隔离模块还可以实现不同信号类型之间的转换，如模拟信号到数字信号的转换。
利用光耦实现模拟隔离放大电路的原理及设计
本文提出了一种新的隔离放大器的设计方案，该方案结构简单，且选用通用器件，易于实现。
通过将本电路与AD公司的AD210AN集成模拟隔离放大器进行实验对比。
本隔离放大电路在带宽上要优于集成模拟隔离放大器。
隔离放大器按传输信号的类型。
可以分为模拟隔离和开关隔离放大器。
模拟隔离放大器的生产商和产品种类均较少，且产品价格比较昂贵。
开关隔离放大器的生产商较多，产品种类也多，价格较低，相对便宜。
高价位的模拟隔离放大器限制了其应用范围。
而文献[2]中提到的双通道隔离放大器结构复杂。
且对隔离间距有较高的要求，而文献[3]中所提到的光电耦合隔离放大器则对元器件参数有较高的要求。
文献[4]中提到的隔离放大器对隔离器件间距也有特殊要求。
1新型电路原理笔者设计的隔离放大器的原理电路。
本隔离放大电路主要由光电耦合器和运算放大器构成。
光电耦合器选用普通光耦TLP521，运算放大器则选择通用运算放大器LF353。
通过这两种普通器件的搭配.所得到的隔离放大器性能和专用模拟隔离放大器的性能相近。
放大器加普通光耦组成的隔离放大电路。
本隔离放大电路由输入和隔离输出两部分构成，且两部分使用隔离的电源(Vcc1、Vee1和Vcc2、Vee2供电。
输入部分由运放U1，电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C1、C2，光电耦合器OPT1、OPT2、OPT3、OPT4的发光二极管部分OPT1_A、OPT2_A、OPT3_A、OPT4_A和OPT1、OPT3的光敏三极管部分OPT1_B、OPT3_B组成，由正电源Vcc1和负电源Vee1供电。
OPT1_A、OPT2_A和OPT3_A、OPT4_A 的电流构成差动放大输入。
R1和R2为运放的输入电阻，R3和R4可为四个光耦的发光二极管(LED)提供偏置和控制电流。
运放U1和光耦OPT1、OPT3组成了一个射级跟随器，R5上的电压即为运放的输入电压。
运放的带宽决定着构成隔离放大器的带宽。
现有的集成模拟隔离放大器的带宽均在100kHz以下，而常用运放的带宽是这个带宽的几倍到几十倍。
4-20ma隔离变送模块
4-20ma隔离变送模块
4-20mA隔离变送模块是一种常见的工业控制设备，它通常用于
将传感器测量到的信号转换成标准的4-20mA电流信号，并且具有隔
离功能，可以有效地隔离输入和输出信号，保护控制系统不受外部
干扰影响。
这种模块通常被广泛应用于工业自动化领域，例如压力、温度、液位等参数的测量和控制过程中。
在工业控制系统中，4-20mA电流信号是一种常见的标准信号类型，它具有很好的抗干扰能力和远距离传输能力。
隔离变送模块的
作用是将传感器产生的信号进行放大、滤波和隔离处理，然后输出
标准的4-20mA电流信号给控制系统，从而实现对被测参数的准确测
量和控制。
这种模块通常具有输入端和输出端的隔离功能，可以有效地防
止由于接地环路、电磁干扰等原因引起的测量误差和系统故障。
此外，一些4-20mA隔离变送模块还具有多种保护功能，如过载保护、
短路保护等，可以提高系统的稳定性和可靠性。
在选择4-20mA隔离变送模块时，需要考虑输入信号类型、量程
范围、精度要求、安装方式等因素，并且需要根据实际的控制系统
要求进行合理的配置和安装。
总的来说，4-20mA隔离变送模块在工业控制领域扮演着重要的角色，它的应用可以提高系统的稳定性、精度和可靠性，从而实现工业过程的自动化和智能化控制。
4-20MA
4～20mA电流变送器的工业控制应用4~20mA电流环工作原理在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输信号就会受到噪声的干扰而不纯洁；第二，传输线的电阻会产生电压降，那么接收端的信号就会产生误差；第三，在现场如何提供仪表放大器的不同的工作电压也是个问题。
为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。
4～20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA 高于20mA的信号用于各种故障的报警。
4～20mA电流环有两种类型：二线制和三线制。
当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件如阀门等时，一般采用三线制变送器，这里XTR位于监控的系统端，由系统直接向XTR供电，供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。
二线系统是XTR和传感器位于现场端，由于现场供电问题的存在，一般是接收端利用4～20mA的电流环向远端的XTR供电，通过4～20mA来反映信号的大小。
4～20mA产品的典型应用是传感和测量应用，在工业现场有许多种类的传感器可以被转换成4～20mA的电流信号，TI拥有一些很方便的用于RTD和电桥的变送器芯片。
由于TI的变送器芯片含有通用的功能电路比如电压激励源、电流激励流、稳压电路、仪表放大器等，所以可以很方便地把许多传感器的信号转化为4～20mA的信号。
4～20mA的校正传统的4～20mA校正，要求特殊的夹具固定，需要特别的激光或手动电阻器调整，而调整是相互影响的，需要一个测试、调整，再测试、再调整的过程，调整次数和范围有限。
电子器件和传感器调整起来不够方便。
现代的数字化4～20mA校正，它允许电子器件和传感器在封装之后进行调整；可通过计算机计算出校正系数来简化数值调整；可以有无限的调整次数，并且有很好的分辨率和较宽的调整范围；调整过程中不存在相互影响；电子器件和传感器可以很方便地调整。
4-20ma信号
4～20mA电流变送器的工业控制应用4~20mA电流环工作原理在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输信号就会受到噪声的干扰而不纯洁；第二，传输线的电阻会产生电压降，那么接收端的信号就会产生误差；第三，在现场如何提供仪表放大器的不同的工作电压也是个问题。
为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。
4～20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。
4～20mA电流环有两种类型：二线制和三线制。
当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件如阀门等时，一般采用三线制变送器，这里XTR位于监控的系统端，由系统直接向XTR供电，供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。
二线系统是XTR和传感器位于现场端，由于现场供电问题的存在，一般是接收端利用4～20mA的电流环向远端的XTR供电，通过4～20mA来反映信号的大小。
4～20mA产品的典型应用是传感和测量应用，在工业现场有许多种类的传感器可以被转换成4～20mA的电流信号，TI 拥有一些很方便的用于RTD和电桥的变送器芯片。
由于TI的变送器芯片含有通用的功能电路比如电压激励源、电流激励流、稳压电路、仪表放大器等，所以可以很方便地把许多传感器的信号转化为4～20mA的信号。
4～20mA的校正传统的4～20mA校正，要求特殊的夹具固定，需要特别的激光或手动电阻器调整，而调整是相互影响的，需要一个测试、调整，再测试、再调整的过程，调整次数和范围有限。
电子器件和传感器调整起来不够方便。
现代的数字化4～20mA校正，它允许电子器件和传感器在封装之后进行调整；可通过计算机计算出校正系数来简化数值调整；可以有无限的调整次数，并且有很好的分辨率和较宽的调整范围；调整过程中不存在相互影响；电子器件和传感器可以很方便地调整。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1. 线形光耦介绍
光隔离是一种很常用的信号隔离形式。
常用光耦器件及其外围电路组成。
由于光耦电路简单，在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到，如UART协议的20mA电流环。
对于模拟信号，光耦因为输入输出的线形较差，并且随温度变化较大，限制了其在模拟信号隔离的应用。
对于高频交流模拟信号，变压器隔离是最常见的选择，但对于支流信号却不适用。
一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案，如ADI的AD202，能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度，但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换，对产生的交流信号进行变压器隔离，然后进行频率-电压转换得到隔离效果。
集成的隔离放大器内部电路复杂，体积大，成本高，不适合大规模应用。
模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。
线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。
这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。
市场上的线性光耦有几中可选择的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。
这里以HCNR200/201为例介绍2. 芯片介绍与原理说明
HCNR200/201的内部框图如下所示
其中1、2引作为隔离信号的输入，3、4引脚用于反馈，5、6引脚用于输出。
1、2引脚之间的电流记作IF，3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。
输入信号经过电压-电流转化，电压的变化体现在电流IF上，IPD1和IPD2基本与IF成线性关系，线性系数分别记为K1和 K2,即
K1与K2一般很小（HCNR200是0.50%），并且随温度变化较大（HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间），但芯片的设计使得 K1和K2相等。
在后面可以看到，在合理的外围电路设计中，真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。
HCNR200和HCNR201的内部结构完全相同，差别在于一些指标上。
相对于HCNR200，HCNR201提供更高的线性度。
采用HCNR200/201进行隔离的一些指标如下所示：
* 线性度：HCNR200：0.25%，HCNR201：0.05%；
* 线性系数K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；
* 温度系数： -65ppm/oC；
* 隔离电压：1414V；
* 信号带宽：直流到大于1MHz。
从上面可以看出，和普通光耦一样，线性光耦真正隔离的是电流，要想真正隔离电压，需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助电路。
下面对
HCNR200/201的典型电路进行分析，对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。
3. 典型电路分析
Agilent公司的HCNR200/201的手册上给出了多种实用电路，其中较为典型的一种如下图
设输入端电压为Vin，输出端电压为Vout，光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2，显然，，和之间的关系取决于和之间的关系。
将前级运放的电路提出来看，如下图所示：
设运放负端的电压为，运放输出端的电压为，在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系：
Vo=Voo-GVi (1)
其中是在运放输入差模为0时的输出电压，G为运放的增益，一般比较大。
忽略运放负端的输入电流，可以认为通过R1的电流为IP1，根据R1的欧姆定律得：
通过R3两端的电流为IF，根据欧姆定律得：
其中,为光耦2脚的电压，考虑到LED导通时的电压（）基本不变，这里的作为常数对待。
根据光耦的特性，即
K1=IP1/IF (4)
将和的表达式代入上式，可得：
上式经变形可得到：
将的表达式代入（3）式可得：
考虑到G特别大，则可以做以下近似：
这样，输出与输入电压的关系如下：
可见，在上述电路中，输出和输入成正比，并且比例系数只由K3和R1、R2确定。
一般选R1=R2，达到只隔离不放大的目的。
4. 辅助电路与参数确定
上面的推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内的，要想做到这一点需要对运放进行合理选型，并且确定电阻的阻值。
4.1 运放选型
运放可以是单电源供电或正负电源供电，上面给出的是单电源供电的例子。
为了能使输入范围能够从0到VCC，需要运放能够满摆幅工作，另外，运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。
TI公司的LMV321单运放电路能够满足以上要求，可以作为HCNR200/201的外围电路。
4.2 阻值确定
电阻的选型需要考虑运放的线性范围和线性光耦的最大工作电流IFmax。
K1已知的情况下，IFmax又确定了IPD1的最大值IPD1max，这样，由于Vo的范围最小可以为0，这样，由于
考虑到IFmax大有利于能量的传输，这样，一般取
另外，由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性，因此，考虑IPD1的限制，
这样，
R2的确定可以根据所需要的放大倍数确定，例如如果不需要方法，只需将R2=R1即可。
另外由于光耦会产生一些高频的噪声，通常在R2处并联电容，构成低通滤波器，具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。
4.3 参数确定实例
假设确定Vcc=5V，输入在0-4V之间，输出等于输入，采用LMV321运放芯片以及上面电路，下面给出参数确定的过程。
* 确定IFmax：HCNR200/201的手册上推荐器件工作的25mA左右；
* 确定R3：R3=5V/25mA=200；
* 确定R1：;
* 确定R2：R2=R1=32K。
光耦隔离PLC应用。