光耦合器光電隔離

微機(jī)有多個(gè)輸入埠，接收來自遠(yuǎn)處現(xiàn)場設(shè)備傳來的狀態(tài)信號(hào)，微機(jī)對這些信號(hào) 處理后，輸出各種控制信號(hào)去執(zhí)行相應(yīng)的操作。在現(xiàn)場環(huán)境較惡劣時(shí)，會(huì)存在較大的雜訊干擾，若這些干擾隨輸入信號(hào)一起進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，會(huì)使控制準(zhǔn)確性降低，產(chǎn)生誤動(dòng)作。因而，可在微機(jī)的輸入和輸出端，用光耦作介面，對信號(hào)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(hào)輸出，及由CPU發(fā)出的對前向通道的控制信號(hào)與類比電路的介面處，從而實(shí)現(xiàn)在不同系統(tǒng)間信號(hào)通路相聯(lián)的同時(shí)，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(dòng)能力有限，一般不足以驅(qū)動(dòng)一些點(diǎn)磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動(dòng)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(hào)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(dòng)電流，功率管的開關(guān)控制信號(hào)和大功率管之間需隔離放大級(jí)。在光耦隔離級(jí)-放大器級(jí)-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(hào)在傳輸過程中很易受到干擾，導(dǎo)致傳輸信號(hào)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(gè)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(jí)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(shí)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(dòng)和阻抗匹配問題;同時(shí)，受控設(shè)備短路時(shí)，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(dòng)檢測進(jìn)而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電子開關(guān)在此時(shí)刻開始開通?，F(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(gè)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(hào)經(jīng)反閘整形后作為單片機(jī)的中斷請求信號(hào)和可控矽的過零同步信號(hào)。

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(gè)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(shí)，必須對所有的信號(hào)(包括數(shù)位量信號(hào)、控制量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào))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:

光耦合器的技術(shù)參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級(jí)與輸出級(jí)之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)。此外，在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)間、延遲時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)。

最重要的參數(shù)是電流放大系數(shù)傳輸比CTR(Curremt-Transfer Ratio)。通常用直流電流傳輸比來表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí)，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。當(dāng)接收管的電流放大系數(shù)hFE為常數(shù)時(shí)，它等于輸出電流IC之比，通常用百分?jǐn)?shù)來表示。有公式:

CTR=IC/ IF×100%

采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20%~30%(如4N35)，而PC817則為80%~160%，達(dá)林頓型光耦合器(如4N30)可達(dá)100%~500%。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此，CTR參數(shù)與晶體管的hFE有某種相似之處。普通光耦合器的CTR-IF特性曲線呈非線性，在IF較小時(shí)的非線性失真尤為嚴(yán)重，因此它不適合傳輸模擬信號(hào)。線性光耦合器的CTR-IF特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號(hào)時(shí)，其交流電流傳輸比(ΔCTR=ΔIC/ΔIF)很接近于直流電流傳輸比CTR值。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號(hào)，能使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。這是其重要特性。在設(shè)計(jì)光耦反饋式開關(guān)電源時(shí)必須正確選擇線性光耦合器的型號(hào)及參數(shù)，選取原則如下:

(1)光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%~200%。這是因?yàn)楫?dāng)CTR5.0mA)，才能正?？刂茊纹_關(guān)電源IC的占空比，這會(huì)增大光耦的功耗。若CTR>200%，在啟動(dòng)電路或者當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，有可能將單片開關(guān)電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。

(2)推薦采用線性光耦合器，其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。

(3)由英國埃索柯姆(Isocom)公司、美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N××系列(如4N25 、4N26、4N35)光耦合器，2012年在國內(nèi)應(yīng)用地十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開關(guān)特性，其線性度差，適宜傳輸數(shù)字信號(hào)(高、低電平)，因此不推薦用在開關(guān)電源中。

信號(hào)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(hào)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(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)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。

光耦合器的種類達(dá)數(shù)十種，主要有通用型(又分無基極引線和基極引線兩種)、達(dá)林頓型、施密特型、高速型、光集成電路、光纖維、光敏晶閘管型(又分單向晶閘管、雙向晶閘管)、光敏場效應(yīng)管型。

在設(shè)計(jì)光耦光電隔離電路時(shí)必須正確選擇光耦合器的型號(hào)及參數(shù)，選取原則如下:

(1)由于光電耦合器為信號(hào)單向傳輸器件，而電路中數(shù)據(jù)的傳輸是雙向的，電路板的尺寸要求一定，結(jié)合電路設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，就要選擇單芯片集成多路光耦的器件;

(2)光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是不小于500%。因?yàn)楫?dāng)CTR<500%時(shí)，光耦中的LED就需要較大的工作電流(>5.0 mA)，才能保證信號(hào)在長線傳輸中不發(fā)生錯(cuò)誤，這會(huì)增大光耦的功耗;

(3)光電耦合器的傳輸速度也是選取光耦必須遵循的原則之一，光耦開關(guān)速度過慢，無法對輸入電平做出正確反應(yīng)，會(huì)影響電路的正常工作。

(4)推薦采用線性光耦。其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。設(shè)計(jì)中由于電路輸入輸出均是一種高低電平信號(hào)，故此，電路工作在非線性狀態(tài)。而在線性應(yīng)用中，因?yàn)樾盘?hào)不失真的傳輸，所以，應(yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)工作的要求，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路工作在線性狀態(tài)。

光電耦合器它屬于比較新型的一種電子產(chǎn)品，它廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、音視頻，它又被叫做光耦合器或光耦，在各種控制電路中。由于光電耦合器內(nèi)部的發(fā)光二極管和光敏三極管只是把電路前后級(jí)的電壓或電流變化，轉(zhuǎn)化為光的變化，二者之間沒有電氣連接，因此能有效隔斷電路間的電位聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)電路之間的可靠隔離。

1.光電耦合器的檢測判斷光耦的好壞，可在路測量其內(nèi)部.二極管和三極管的正反向電阻來確定。更可靠的檢測方法是以下三種。1. 比較法 拆下懷疑有問題的光耦，用萬用表測量其內(nèi)部二極管;三極管的正反向電阻值，用其與好的光耦對應(yīng)腳的測量值進(jìn)行比較，若阻值相差較大，則說明光耦已損壞。

2. 數(shù)宇萬用表檢測法 下面以PCIll光耦檢測為例來說明數(shù)字萬用表檢測的方法，檢測時(shí)將光耦內(nèi)接二極管的+端①腳和-端②腳分別插入數(shù)字萬用表的hfE的c，e插孔內(nèi)，此時(shí)數(shù)字萬用表應(yīng)置于NPN擋;然后將光耦內(nèi)接光電三極管c極⑤腳接指針式萬用表的黑表筆，e極④腳接紅表筆，并將指針式萬用表撥在Rxlk擋。這樣就能通過指針式萬用表指針的偏轉(zhuǎn)角度--實(shí)際上是光電流的變化，來判斷光耦的情況。指針向右偏轉(zhuǎn)角度越大，說明光耦的光電轉(zhuǎn)換效率越高，即傳輸比越高，反之越低;若表針不動(dòng)，則說明光耦已損壞。

3.光電效應(yīng)判斷法 仍以ICIll光電耦合器的檢測為例，將萬用表置寸:Rxlk電阻擋，兩表筆分別接在光耦的輸出端④、⑤腳，然后用一節(jié)1.5V的電池與一只50-100歐的電阻串接后，電池的正極端接PC111的①腳，負(fù)極端碰接②腳，或者正極端碰接①腳，負(fù)極端接②腳，這時(shí)觀察接在輸出端萬用表的指針偏轉(zhuǎn)情況。如果指針擺動(dòng)，說明光耦是好的，如果不擺動(dòng)，則說明光耦已損壞。萬用表指針擺動(dòng)偏轉(zhuǎn)角度越大，表明光電轉(zhuǎn)換靈敏度越高。

光耦隔離就是采用光耦合器進(jìn)行隔離，光耦合器的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把發(fā)光二極管和光敏(三極)管封裝在一起。發(fā)光二極管把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳給光敏管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，由于沒有直接的電氣連接，這樣 既耦合傳輸了信號(hào)，又有隔離作用。只要光耦合器質(zhì)量好，電路參數(shù)設(shè)計(jì)合理，一般故障少見。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)異常，使輸入、輸出兩側(cè)的電位差超過光耦合器所能承受的電壓，就會(huì)使之被擊穿損壞。

可以認(rèn)為是一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光電二極管或三極管封裝到一起?？梢詫?shí)現(xiàn)信號(hào)的完全電氣隔離。在信號(hào)采集系統(tǒng)中廣泛采用。

光耦是通電使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏二極管接受光導(dǎo)通的器件。其好處輸入和輸出是隔離的，就象變壓器一樣。6N137和6N138是光耦8腳IC，具體參數(shù)搜索一下即可光偶隔離器的缺點(diǎn)是尺寸太大。

光耦合器一般由三部分組成:光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，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(hào)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，它在長線傳輸資訊中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在電腦數(shù)位通信及即時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加其工作之可靠性。