光電隔離光電耦合器件

工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中存在著許多不小的瞬變脈沖，這些瞬變脈沖會影響到數(shù)據(jù)的傳輸，甚至傷害互連的設(shè)備，為了能夠在高速現(xiàn)場總線通信得到無錯誤的數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須要對這些干擾進(jìn)行處理，通常會使用具有絕緣隔離功能的光電耦合器來維持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性并保護(hù)互連設(shè)備。

一、信號隔離：

其目的在于從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，而不直接發(fā)生電的聯(lián)系。隔離的實(shí)質(zhì)是把引進(jìn)的干擾通道切斷，從而達(dá)到隔離現(xiàn)場干擾的目的。測控裝置與現(xiàn)場信號之間、弱電和強(qiáng)電之間，常用的隔離方式有光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離、隔離放大器等。另外，在布線上也應(yīng)該注意隔離。

信號隔離器

二、光電耦合器：

將發(fā)光元件和受光元件組合在一起，通過電-光-電這種轉(zhuǎn)換，利用“光”這一環(huán)節(jié)完成隔離功能，使輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。根據(jù)受光元件的不同可分為晶體管輸出型和晶閘管輸出型兩類。

光電耦合器具有三個特點(diǎn)：①信號傳遞采取電-光-電的形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，能夠避免輸出端對輸入端可能產(chǎn)生的反饋和干擾，②抑制噪聲干擾能力強(qiáng)；③具有耐用、可靠性高和速度快等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)時間一般為數(shù) 以內(nèi)，高速型光電耦合器的響應(yīng)時間有的甚至小于10ns。

三、固態(tài)繼電器:

固態(tài)繼電器按使用場合可以分為交流型(AC-SSR) 和直流型(DC-SSR)兩類，它們分別在交流或直流電源上做負(fù)載的開關(guān)，不能混用。

四、隔離放大器：

為完成地線隔離，將放大器加上靜電和電磁屏蔽浮置起來，這種放大器叫隔離放大器，或叫隔離器，其輸入和輸出電路與電源沒有直接的電路耦合關(guān)系。常用的隔離放大器有Analog Devices公司的AD277J、AD202、AD204、AD289、AD290、AD210、AD281等。

五、線性光電隔 離放大器：

利用發(fā)光二極管的光反向送回輸入端，正向送至輸出端，從而提高了放大器的精度和線性度。放大器的輸入端和輸出端是用光隔離的，所以不存在電氣連接。常見的線性光電隔離放大器有Burr-Brown公司的ISO100、3650和3652。

?光電隔離器（optoelectronic isolator，英文縮寫為OC）亦稱光電耦合器、光耦合器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。

光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。

光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。

的其它詳細(xì)資料參見光電耦合器

微機(jī)有多個輸入埠，接收來自遠(yuǎn)處現(xiàn)場設(shè)備傳來的狀態(tài)信號，微機(jī)對這些信號 處理后，輸出各種控制信號去執(zhí)行相應(yīng)的操作。在現(xiàn)場環(huán)境較惡劣時，會存在較大的雜訊干擾，若這些干擾隨輸入信號一起進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，會使控制準(zhǔn)確性降低，產(chǎn)生誤動作。因而，可在微機(jī)的輸入和輸出端，用光耦作介面，對信號及雜訊進(jìn)行隔離。典型的光電耦合電路如圖6所示。該電路主要應(yīng)用在"A/D轉(zhuǎn)換器"的數(shù)位信號輸出，及由CPU發(fā)出的對前向通道的控制信號與類比電路的介面處，從而實(shí)現(xiàn)在不同系統(tǒng)間信號通路相聯(lián)的同時，在電氣通路上相互隔離，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)將類比電路和數(shù)位電路相互隔離，起到抑制交叉串?dāng)_的作用。

圖六 光電耦合器接線原理

對于線性類比電路通道，要求光電耦合器必須具有能夠進(jìn)行線性變換和傳輸?shù)奶匦?，或選擇對管，采用互補(bǔ)電路以提高線性度，或用V/F變換后再用數(shù)位光耦進(jìn)行隔離。

在微機(jī)控制系統(tǒng)中，大量應(yīng)用的是開關(guān)量的控制，這些開關(guān)量一般經(jīng)過微機(jī) 的I/O輸出，而I/O的驅(qū)動能力有限，一般不足以驅(qū)動一些點(diǎn)磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動介面電路，為避免微機(jī)受到干擾，須采取隔離措施。如可控硅所在的主電路一般是交流強(qiáng)電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機(jī)直接相連，可應(yīng)用光耦合器將微機(jī)控制信號與可控硅觸發(fā)電路進(jìn)行隔離。電路實(shí)例如圖7所示。

圖七 雙向可控硅(晶閘管)

在馬達(dá)控制電路中，也可采用光耦來把控制電路和馬達(dá)高壓電路隔離開。馬達(dá)靠MOSFET或IGBT功率管提供驅(qū)動電流，功率管的開關(guān)控制信號和大功率管之間需隔離放大級。在光耦隔離級-放大器級-大功率管的連接形式中，要求光耦具有高輸出電壓、高速和高共模抑制。

在電腦應(yīng)用系統(tǒng)中，由于測控系統(tǒng)與被測和被控設(shè)備之間不可避免地要進(jìn)行長線傳輸，信號在傳輸過程中很易受到干擾，導(dǎo)致傳輸信號發(fā)生畸變或失真;另外，在通過較長電纜連接的相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間，常因設(shè)備間的地線電位差，導(dǎo)致地環(huán)路電流，對電路形成差模干擾電壓。為確保長線傳輸?shù)目煽啃?，可采用光電耦合隔離措施，將2個電路的電氣連接隔開，切斷可能形成的環(huán)路，使他們相互獨(dú)立，提高電路系統(tǒng)的抗干 擾性能。若傳輸線較長，現(xiàn)場干擾嚴(yán)重，可通過兩級光電耦合器將長線完全"浮置"起來，如圖8所示。

圖八 傳輸長線的光耦浮置處理

長線的"浮置"去掉了長線兩端間的公共地線，不但有效消除了各電路的電流經(jīng)公共地線時所產(chǎn)生雜訊電壓形成相互竄擾，而且也有效地解決了長線驅(qū)動和阻抗匹配問題;同時，受控設(shè)備短路時，還能保護(hù)系統(tǒng)不受損害。

零交叉，即過零檢測，指交流電壓過零點(diǎn)被自動檢測進(jìn)而產(chǎn)生驅(qū)動信號，使電子開關(guān)在此時刻開始開通。現(xiàn)代的零交叉技術(shù)已與光電耦合技術(shù)相結(jié)合。圖9為一種單片機(jī)數(shù)控交流調(diào)壓器中可使用的過零檢測電路。

圖九 過零檢測

220V交流電壓經(jīng)電阻R1限流后直接加到2個反向并聯(lián)的光電耦合器GD1，GD2的輸入端。在交流電源的正負(fù)半周，GD1和GD2分別導(dǎo)通，U0輸出低電平，在交流電源正弦波過零的瞬間，GD1和GD2均不導(dǎo)通，U0輸出高電平。該脈沖信號經(jīng)反閘整形后作為單片機(jī)的中斷請求信號和可控矽的過零同步信號。

注意事項(xiàng)

(1)在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)立的電源，若兩端共用一個電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。

(2)當(dāng)用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時，必須對所有的信號(包括數(shù)位量信號、控制量信號、狀態(tài)信號)全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒有意義的。

光耦合器相關(guān)專業(yè)術(shù)語: