高速吹風(fēng)筒方案中光耦的作用和原理--【其利天下技術(shù)】

我們都知道高速風(fēng)筒方案中，采用了光耦作為隔離元器件，那么光耦是個(gè)什么特性的元件呢？它用來隔離什么東西呢？它又是如何做到隔離作用的呢？帶著這樣的疑問，我們對(duì)光耦做一番研究吧。

其利天下技術(shù)--光耦

（一）光耦合器介紹：

耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)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。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。

（二）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（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，從而起到輸入和輸出隔離的作用。

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

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(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。

（三）光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離；輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)；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；另外，它還有工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)。

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。

（四）光耦的主要作用：光耦主要就是隔離作用，如信號(hào)隔離或光電的隔離。隔離能起到保護(hù)的作用，如一邊是微處理器控制電路，另一邊是高電壓執(zhí)行端，如市電啟動(dòng)的電機(jī)，電燈等等，就可以用光耦隔離開。當(dāng)兩個(gè)不同的型號(hào)的光耦只有負(fù)載電流不同時(shí)，可以用大的負(fù)載電流的光耦代替小負(fù)載電流的光耦。

當(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)光二極體通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無信號(hào)，發(fā)光二極體不亮，光敏三極管截止，CE不通。對(duì)于數(shù)位量，當(dāng)輸入為低電平“0”時(shí)，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時(shí)，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平“ 0”。若基極有引出線則可滿足溫度補(bǔ)償、檢測調(diào)制要求。這種光耦合器性能較好，價(jià)格便宜，因而應(yīng)用廣泛。

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。

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)例如下圖所示。

雙向可控硅（晶閘管） --其利天下技術(shù)

高速風(fēng)筒的馬達(dá)控制電路中，就是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(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，如下圖所示。

傳輸長線的光耦浮置處理 --其利天下

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。

過零檢測電路中的光電隔離

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。現(xiàn)代的零交叉技術(shù)已與光電耦合技術(shù)相結(jié)合。下圖為一種單片機(jī)數(shù)控交流調(diào)壓器中可使用的過零檢測電路。

過零檢測電路--其利天下

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)。

高速吹風(fēng)筒方案--其利天下技術(shù)

高速風(fēng)筒中，我們用了2個(gè)規(guī)格的光耦，并運(yùn)用了光耦的2個(gè)用途，一個(gè)是“功率驅(qū)動(dòng)電路中的光電隔離 ”，另一個(gè)是“過零檢測電路中的光電隔離”。不管是那種運(yùn)用，其實(shí)都是運(yùn)用光耦的隔離，隔離電路之間的相互影響

光耦運(yùn)用的注意事項(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。