光耦合器的作用及其電路

光耦合器的作用及其電路

?????? 摘 要 線性光耦合器是目前國際上正推廣應(yīng)用的一種新型光電隔離器件。文中介紹其性能特點(diǎn)、產(chǎn)品分類，以及它在單片開關(guān)電源中的應(yīng)用。
??? 關(guān)鍵詞 光耦合器 線性電流傳輸比 通信 單片開關(guān)電源
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?????? 光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。普通光耦合器只能傳輸數(shù)字（開關(guān)）信號(hào)，不適合傳輸模擬信號(hào)。近年來問世的線性光耦合器能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或模擬電流信號(hào)，使其應(yīng)用領(lǐng)域大為拓寬。
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1 光耦合器的類型及性能特點(diǎn)
1.1 光耦合器的類型
??? 光耦合器有雙列直插式、管式、光導(dǎo)纖維式等多種封裝形式，其種類達(dá)數(shù)十種。光耦合器的分類及內(nèi)部電路如圖1所示。圖中是8種典型產(chǎn)品的型號(hào)：(a)通用型(無基極引線)；(b)通用型(有基極引線)；(c)達(dá)林頓型；(d)高速型；(e)光集成電路；(f)光纖型；(g)光敏晶閘管型；(h)光敏場(chǎng)效應(yīng)管型。

1.2 光耦合器的性能特點(diǎn)
??? 光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號(hào)，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離 、開關(guān)電路、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。

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????????????????? 圖一 最常用的光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 三極管接收型? 4腳封裝

??????????????????????????? 圖二 光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 三極管接收型? 6腳封裝

????????????圖三 光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 雙發(fā)光二極管輸入 三極管接收型 4腳封裝

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??????????????????????? ??????? 圖四 光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 可控硅接收型? 8腳封裝

圖五 光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 雙二極管接收型? 6腳封裝

光電耦合器之所以在傳輸信號(hào)的同時(shí)能有效地抑制尖脈沖和各種雜訊干擾，使通道上的信號(hào)雜訊比大為提高，主要有以下幾方面的原因：

（1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105～106Ω。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會(huì)很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極體發(fā)光，從而被抑制掉了。

（2）光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號(hào)的產(chǎn)生。

（3）光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表。因?yàn)楣怦詈掀骷妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g可以承受幾千伏的高壓。

（4）光電耦合器的回應(yīng)速度極快，其回應(yīng)延遲時(shí)間只有10μs左右，適于對(duì)回應(yīng)速度要求很高的場(chǎng)合。

光電隔離技術(shù)的應(yīng)用

微機(jī)介面電路中的光電隔離

微機(jī)有多個(gè)輸入埠，接收來自遠(yuǎn)處現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳來的狀態(tài)信號(hào)，微機(jī)對(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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。

功率驅(qū)動(dòng)電路中的光電隔離

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。

遠(yuǎn)距離的隔離傳送

在電腦應(yīng)用系統(tǒng)中，由于測(cè)控系統(tǒng)與被測(cè)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(duì)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(chǎng)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。

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??????????????? ? 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。

過零檢測(cè)電路中的光電隔離

零交叉，即過零檢測(cè)，指交流電壓過零點(diǎn)被自動(dòng)檢測(cè)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(cè)電路。?

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????????????????? 圖九 過零檢測(cè)

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(qǐng)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(duì)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。