隔离放大电路在线视频

大家好

本节我们将介绍隔离放大电路

本节的学习目标为

1.理解隔离放大电路的工作原理

2.能够分析隔离放大电路

作为逻辑开关的作用

3.能够分析隔离放大电路的

隔离放大作用

如图所示

为一个典型的测控系统

传感器的信号经过放大后输入到主控器

此时如果有一个很强的干扰信号

在放大时有可能烧毁放大单元

从而毁坏主控制器

此时我们就需要一种既能传输信号又能

起到保护作用的隔离放大电路

在有很强信号来临时

最多毁坏前一级电路

而对后面的电路进行保护

首先我们分析

隔离放大电路的基本原理

隔离放大电路由输入放大器

输出放大器、隔离器以及隔离电源等

几部分组成

如图a）所示

其输入输出和电源电路之间

没有直接的电路耦合

即信号在传输过程中没有公共的接地端

右图为隔离放大电路的符号

隔离放大电路采用的隔离方式

主要有电磁耦合

和光电耦合

如图所示

a）图为变压器耦合方式

也就是电磁耦合

b 图为光电耦合方式电路

本节我们重点讲解光电耦合方式

隔离放大电路

光电耦合隔离放大电路的

核心元器件为光耦合器

简称光耦，它是一种电、光、电的

转换元件

左边的图为光耦的实物图片

右图为光耦的结构图

输入级的发光二极管接电导通后

发光

照射到输出级光敏三极管

光敏三极管将光信号转化为电流进行输出

左图为光耦的基本接线图

VIN为输入级的

供电电压

RI为限流电阻

IF为正向电流

Vcc为输出级的供电电压与

输入级的电压VIN接的是不同的地

IC为集电极电流

IC与IF的比值

为电流传输比CTR

当光耦作为逻辑光耦时

光耦工作在开关状态，副边三极管饱和导通

此时管压降

小于0.4V

输出电压Vout约等于Vcc

当光耦作为线性光耦时

光耦工作在线性状态

副边三级管

线性放大

此时集电极电流IC等于

IF*CTR

CTR即为电流传输比

此时输出电压Vout等于

IC*RL

即等于IF*CTR*RL

逻辑光耦当电子开关用

线性光耦当隔离放大用

此图为光耦当做电子开关

应用的一个案例

当开关S₁

闭合

流过发光二极管的电流为IF

此时流过光敏三极管的电流为IC

光敏三极管饱和导通

电阻R₂上端电压接近于12V

使得场效应管VT导通

电机启动，当开关断开

光敏三极管截止电阻R₂上端的电压为0

使得场效应管VT截止，电机停止

我们再来分析一下光耦当作逻辑开关时

的电路元器件参数

主要是电阻R₁和R₂的选取

通过光耦的参数列表可以知道

集电极电流IC最大为10mA

此电流也流经了发光二极管LED₁

当LED₁发光时

电流取6mA

即IC取6mA

发光二极管LED₁的压降

为1.66V

光敏三极管饱和导通，压降为0.3V

此时可以计算作用到电阻R₂上的

电压为

5V-1.66V-0.3V

流过电阻R₂的电流为6mA

所以电阻R₂的阻值计算可以得到

为506.66Ω

当然，最终我们取阻值为510Ω

再看输入级，正向电流

IF流经

R₁和发光二极管

IF取典型值16mA

发光二极管的管压降为1.2V

所以作用到电阻R₁上

的电压为5V-1.2V

经过计算得电阻R₁的

阻值为237.5Ω

最终取值为240Ω

现在我们用电路仿真

看一下此电路的工作原理

用multisim对刚才

分析的电路进行仿真

当R₁取10KΩ

R₂取10KΩ的时候

S₁不管是接通还是断开

LED灯都没有变化

此时我们把R₁的电阻

改变为刚才计算的阻值240Ω

再进行仿真

接通

S₁时

LED₁发光二极管

依然没有点亮

我们再把

R2

变成我们刚才计算的阻值510Ω

此时

再仿真

接通S₁

为5V，我们会发现LED₁点亮

当S₁断开时

LED灯

熄灭

说明光耦工作在逻辑开关状态

此仿真告诉我们

在使用光耦时一定要选取合适的

R₁和R₂的阻值，才能保证

光耦工作在逻辑开关状态

我们再分析光耦做线性放大时

的电路，如图所示

光耦输入级的发光二极管串联在运算

放大器N₁的反馈回路中

输出级的光敏三极管发射极电压

作用到N₂的同相端

输入信号为ui

输出信号为uo

根据虚短可知

电阻R₂上端的电压为ui

所以流经电阻R₂的电流为i₂=ui/R₂

又根据虚短路

流经光耦输入级的电流IF

与i₂相通

此时输出级的电流为IC

IC等于电流传输比CTR乘以IF

所以流过电阻R₄的电流

也约为IC

这样作用到运算放大器N₂的同相端的电压

u+为电阻R₄乘以电流IC

运算放大器

N₂的输出uo为

（1+R₅/R₆）u+

这样我们就得到了最终的输出

与输入之间的关系

如公式所示

因为电流的传输比CTR

是一个变化的值

所以对于此输出来说

与输入ui之间成的是非线性关系

我们再分析光耦做线性放大时

的另外一个电路，如图所示

此电路有两个性能一样的光耦

VLC1和VLC2

两个光耦的输入级串联在一起

作为运算放大器N1的

输出负载

光耦VLC1输出级反馈到

运算放大器的反相端

形成负反馈

光耦VLC2

对信号起隔离放大作用

VLC2的输出端作用到运算放大器

N2的同相端

因为光耦VLC1

和VLC2串联

所以流经两个光耦输入级的电流相等

假设均为电流i₁

对于光耦VLC1来说

输出端光敏三极管

发射极的电流i₂是一个

与i₁有关的函数

假设i₂等于g（i₁）

流经电阻R₂的电流也为i₂

我们还知道

电阻R₂上端的电压为ui

所以ui等于

电阻R₂乘以i₂

我们再分析光耦VLC2

因为与光耦VLC1性能一致

所以光耦VLC2的输出端

光敏三极管的集电极电流i₃

也等于g（i₁）

是关于i₁的一个函数

流经电阻R₄的电流也为i₃

这样我们就得到了运算放大器N2的

同相端电压

u+为电阻R₄乘以

电流i₃

这样，N2的输出

uo为

（1+R₅/R₆）u+

这样我们就可以得出

uo等于

（1+R₅/R₆）R₄*g（i₁）

之前我们已经分析了

ui=R₂*g（i₁）

我们发现这输出输入当中都有g（i₁）

我们消去它

最终得到了uo与ui之间的关系

我们发现其中没有变化量

所以我们可以得出

输出与输入ui之间呈线性关系

应用这样的隔离放大电路

我们就可以将干扰信号有效的隔离

最后总结一下本节内容

本节我们主要是讲了隔离放大电路的

工作原理

重点讲解的是光耦和方式的隔离放大器

我们同时分析了光耦作为逻辑光耦和

线性光耦的电路

大家可以自行分析作业中的隔离放大电路的

工作原理

好，本节就讲到这里

再见