通過利用光電耦合器件可靠地實現(xiàn)信號隔離達到抗干擾的目的

在實際的電子電路系統(tǒng)中，不可避免地存在各種各樣的干擾信號，若電路的抗干擾能力差將導致測量、控制準確性的降低，產(chǎn)生誤動作，從而帶來破壞性的后果。因此，若硬件上采用一些設(shè)計技術(shù)，破壞干擾信號進入測控系統(tǒng)的途徑，可有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。事實證明，采用隔離技術(shù)是一種簡便且行之有效的方法。隔離技術(shù)是破壞“地”干擾途徑的抗干擾方法，硬件上常用光電耦合器件實現(xiàn)電→光→電的隔離，他能有效地破壞干擾源的進入，可靠地實現(xiàn)信號的隔離，并易構(gòu)成各種功能狀態(tài)。

1 光電耦合器件簡介

光電耦合器件是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極管）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實現(xiàn)耦合構(gòu)成電一光和光一電的轉(zhuǎn)換器件。圖1所示為常用的三極管型光電耦合器原理圖。

當電信號送人光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極管通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE導通；當輸入端無信號，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止，CE不通。對于數(shù)字量，當輸人為低電子“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當輸人為高電平“1”時，光敏三極管飽和導通，輸出為低電平“0”。若基極有引出線則可滿足溫度補償、檢測調(diào)制要求。這種光耦合器性能較好，價格便宜，因而應(yīng)用廣泛。

光電耦合器之所以在傳輸信號的同時能有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，使通道上的信號噪聲比大為提高，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噪聲電壓會很小，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管發(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噪聲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，即使當外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞儀表。因為光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。

（4）光電耦合器的響應(yīng)速度極快，其響應(yīng)延遲時間只有10μs左右，適于對響應(yīng)速度要求很高的場合。

2 光電隔離技術(shù)的應(yīng)用

2．1 微機接口電路中的光電隔離

微機有多個輸入端口，接收來自遠處現(xiàn)場設(shè)備傳來的狀態(tài)信號，微機對這些信號處理后，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，會存在較大的噪聲干擾，若這些干擾隨輸入信號一起進入微機系統(tǒng)，會使控制準確性降低，產(chǎn)生誤動作。因而，可在微機的輸入和輸出端，用光耦作接口，對信號及噪聲進行隔離。典型的光電耦合電路如圖2所示。

該電路主要應(yīng)用在“A／D轉(zhuǎn)換器”的數(shù)字信號輸出，及由CPU發(fā)出的對前向通道的控制信號與模擬電路的接口處，從而實現(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)上實現(xiàn)將模擬電路和數(shù)宇電路相互隔離，起到抑制交叉串擾的作用。

對于線性模擬電路通道，要求光電耦合器必須具有能夠進行線性變換和傳輸?shù)奶匦?，或選擇對管，采用互補電路以提高線性度，或用V／P變換后再用數(shù)字光耦進行隔離。

2．2 功率驅(qū)動電路中的光電隔離

在微機控制系統(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)動一些點磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動接口電路，為避免微機受到干擾，須采取隔離措施。如晶閘管所在的主電路一般是交流強電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機直接相連，可應(yīng)用光耦合器將微機控制信號與晶閘管觸發(fā)電路進行隔離電路實例如圖3所示。

在馬達控制電路中，也可采用光耦來把控制電路和馬達高壓電路隔離開。馬達靠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。在光耦隔離級一放大器級一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。

2．3 遠距離的隔離傳送

在計算機應(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行長線傳輸，信號在傳輸過程中很易受到干擾，導致傳輸信號發(fā)生畸變或失真，另外，在通過較長電纜連接的相距較遠的設(shè)備之間，常因設(shè)備間的地線電位差，導致地環(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)場干擾嚴重，可通過兩級光電耦合器將長線完全“浮置”起來，如圖4所示。

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)生噪聲電壓形成相互竄擾，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，還能保護系統(tǒng)不受損害。

2．4 過零檢測電路中的光電隔離

零交叉，即過零檢測，指交流電壓過零點被自動檢測進而產(chǎn)生驅(qū)動信號，使電子開關(guān)在此時刻開始開通?，F(xiàn)代的零交叉技術(shù)已與光電耦合技術(shù)相結(jié)合。圖5為一種單片機數(shù)控交流調(diào)壓器中可使用的過零檢測電路。

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。在交流電源的正負半周，GD1和GD2分別導通，U0輸出低電平，在交流電源正弦波過零的瞬間，GD1和GD2均不導通，U0輸出高電平。該脈沖信號經(jīng)非門整形后作為單片機的中斷請求信號和可控硅的過零同步信號。

3 注意事項

（1） 在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源，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） 當用光電耦合起來隔離輸入輸出通道室，必須對所有的信號（包括數(shù)字量信號、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。

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