光耦隔離技術(shù)

光耦使用技巧光電耦合器(簡(jiǎn)稱(chēng)光耦)，是一種把發(fā)光元件和光敏元件封裝在同一殼體內(nèi)，中間通過(guò)電→光→電的轉(zhuǎn)換來(lái)傳輸電信號(hào)的半導(dǎo)體光電子器件。光電耦合器可根據(jù)不同要求，由不同種類(lèi)的發(fā)光元件和光敏元件組合成許多系列的光電耦合器。目前應(yīng)用最廣的是發(fā)光二極管和光敏三極管組合成的光電耦合器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1a所示。

光耦以光信號(hào)為媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)。對(duì)于既包括弱電控制部分，又包括強(qiáng)電控制部分的工業(yè)應(yīng)用測(cè)控系統(tǒng)，采用光耦隔離可以很好地實(shí)現(xiàn)弱電和強(qiáng)電的隔離，達(dá)到抗干擾目的。但是，使用光耦隔離需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：

①光耦直接用于隔離傳輸模擬量時(shí)，要考慮光耦的非線性問(wèn)題；

②光耦隔離傳輸數(shù)字量時(shí)，要考慮光耦的響應(yīng)速度問(wèn)題；

③如果輸出有功率要求的話，還得考慮光耦的功率接口設(shè)計(jì)問(wèn)題。1光電耦合器非線性的克服

光電耦合器的輸入端是發(fā)光二極管，因此，它的輸入特性可用發(fā)光二極管的伏安特性來(lái)表示，如圖1b所示；輸出端是光敏三極管，因此光敏三極管的伏安特性就是它的輸出特性，如圖1c所示。由圖可見(jiàn)，光電耦合器存在著非線性工作區(qū)域，直接用來(lái)傳輸模擬量時(shí)精度較差。

圖1光電耦合器結(jié)構(gòu)及輸入、輸出特性

解決方法之一，利用2個(gè)具有相同非線性傳輸特性的光電耦合器，T1和T2，以及2個(gè)射極跟隨器A1和A2組成，如圖2所示。如果T1和T2是同型號(hào)同批次的光電耦合器，可以認(rèn)為他們的非線性傳輸特性是完全一致的，即K1(I1)=K2(I1)，則放大器的電壓增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=(R3/R2)[K1(I1)/K2(I1)]=R3/R2。由此可見(jiàn)，利用T1和T2電流傳輸特性的對(duì)稱(chēng)性，利用反饋原理，可以很好的補(bǔ)償他們?cè)瓉?lái)的非線性。能采用繼電器隔離驅(qū)動(dòng)。一般情況下，對(duì)于那些響應(yīng)速度要求不很高的啟停操作，我們采用繼電器隔離來(lái)設(shè)計(jì)功率接口；對(duì)于響應(yīng)時(shí)間要求很快的控制系統(tǒng)，我們采用光電耦合器進(jìn)行功率接口電路設(shè)計(jì)。這是因?yàn)槔^電器的響應(yīng)延遲時(shí)間需幾十ms，而光電耦合器的延遲時(shí)間通常都在10us之內(nèi)，同時(shí)采用新型、集成度高、使用方便的光電耦合器進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)，可以達(dá)到簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低散熱的目的。

圖7是采用光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載的典型電路。因?yàn)槠胀ü怆婑詈掀鞯碾娏鱾鬏敱菴RT非常小，所以一般要用三極管對(duì)輸出電流進(jìn)行放大，也可以直接采用達(dá)林頓型光電耦合器(見(jiàn)圖8)來(lái)代替普通光耦T1。例如東芝公司的4N30。對(duì)于輸出功率要求更高的場(chǎng)合，可以選用達(dá)林頓晶體管來(lái)替代普通三極管，例如ULN2800高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，它的輸出電流和輸出電壓分別達(dá)到500mA和50V。

圖7光電隔離，加三極管放大驅(qū)動(dòng)

圖8達(dá)林頓型光電耦合器

對(duì)于交流負(fù)載，可以采用光電可控硅驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，例如TLP541G，4N39。光電可控硅驅(qū)動(dòng)器，特點(diǎn)是耐壓高，驅(qū)動(dòng)電流不大，當(dāng)交流負(fù)載電流較小時(shí)，可以直接用它來(lái)驅(qū)動(dòng)，如圖9所示。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，可以外接功率雙向可控硅，如圖10所示。其中，R1為限流電阻，用于限制光電可控硅的電流；R2為耦合電阻，其上的分壓用于觸發(fā)功率雙向可控硅。

圖9小功率交流負(fù)載

圖10大功率交流負(fù)載

當(dāng)需要對(duì)輸出功率進(jìn)行控制時(shí)，可以采用光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器，例如MOC3010。圖11為交流可控驅(qū)動(dòng)電路，來(lái)自微機(jī)的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器T1隔離，控制雙向可控硅T2的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)交流負(fù)載的功率控制。

圖11交流可控電路

圖12為交流電源輸出直流可控電路。來(lái)自微機(jī)的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器隔離，控制可控硅橋式整流電路導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)交流一直流的功率控制。此電路已經(jīng)應(yīng)用在我們實(shí)驗(yàn)室研制的新型電機(jī)控制設(shè)備中，效果良好。

圖12交-直流可控4結(jié)束語(yǔ)

本文從光電耦