變頻器電路中的光電耦合器應(yīng)用

一、電路中為什么要使用光耦器件？
　　電氣隔離的要求。A與B電路之間，要進(jìn)行信號的傳輸，但兩電路之間由于供電級別過于懸殊，一路為數(shù)百伏，另一路為僅為幾伏；兩種差異巨大的供電系統(tǒng)，無法將電源共用；
　　A電路與強電有聯(lián)系，人體接觸有觸電危險，需予以隔離。而B線路板為人體經(jīng)常接觸的部分，也不應(yīng)該將危險高電壓混入到一起。兩者之間，既要完成信號傳輸，又必須進(jìn)行電氣隔離；
　　運放電路等高阻抗型器件的采用，和電路對模擬的微弱的電壓信號的傳輸，使得對電路的抗干擾處理成為一件比較麻煩的事情——從各個途徑混入的噪聲干擾，有可能反客為主，將有用信號“淹沒”掉；
　　除了考慮人體接觸的安全，又必須考慮到電路器件的安全，當(dāng)光電耦合器件輸入側(cè)受到強電壓（場）沖擊損壞時，因光耦的隔離作用，輸出側(cè)電路卻能安全無恙。
　　以上四個方面的原因，促成了光耦器件的研制、開發(fā)和實際應(yīng)用。光耦的基本作用，是將輸入、輸出側(cè)電路進(jìn)行有效的電氣上的隔離；能以光形式傳輸信號；有較好的抗干擾效果；輸出側(cè)電路能在一定程度上得以避免強電壓的引入和沖擊。
　　二、光電耦合器件的一般屬性：
　　1、結(jié)構(gòu)特點：輸入側(cè)一般采用發(fā)光二極管，輸出側(cè)采用光敏晶體管、集成電路等多種形式，對信號實施電-光-電的轉(zhuǎn)換與傳輸。
　　2、輸入、輸出側(cè)之間有光的傳輸，而無電的直接聯(lián)系。輸入信號的有無和強弱控制了發(fā)光二極管的發(fā)光強度，而輸出側(cè)接受光信號，據(jù)感光強度，輸出電壓或電流信號。
　　3、輸入、輸出側(cè)有較高的電氣隔離度，隔離電壓一般達(dá)2000V以上。能對交、直流信號進(jìn)行傳輸，輸出側(cè)有一定的電流輸出能力，有的可直接拖動小型繼電器。特殊型光耦器件能對毫伏，甚至微伏級交、直流信號進(jìn)行線性傳輸。
　　4、因光耦的結(jié)構(gòu)特性，輸入、輸出側(cè)需要相互隔離的獨立供電電源，即需兩路無“共地”點的供電電源。下述一、二類光耦輸入側(cè)由信號電壓提供了輸入電流通路，但實質(zhì)上輸入信號回路，也是有一個供電支路的；而線性光耦，則輸入側(cè)與輸出側(cè)一樣，是直接接有兩種相隔離的供電電源的。
　　三、在變頻器電路中，經(jīng)常用到的光電耦合器件，有三種類型：
　　1、一種為三極管型光電耦合器，如PC816、PC817、4N35等，常用于開關(guān)電源電路的輸出電壓采樣和誤差電壓放大電路，也應(yīng)用于變頻器控制端子的數(shù)字信號輸入回路。結(jié)構(gòu)最為簡單，輸入側(cè)由一只發(fā)光二極管，輸出側(cè)由一只光敏三極管構(gòu)成，主要用于對開關(guān)量信號的隔離與傳輸；
　　2、第二種為集成電路型光電耦合器，如6N137、HCPL2601等，輸入側(cè)發(fā)光管采用了延遲效應(yīng)低微的新型發(fā)光材料，輸出側(cè)為門電路和肖基特晶體管構(gòu)成，使工作性能大為提高。其頻率響應(yīng)速度比三極管型光電耦合器大為提高，在變頻器的故障檢測電路和開關(guān)電源電路中也有應(yīng)用；
　　3、第三種為線性光電耦合器，如A7840。結(jié)構(gòu)與性能與前兩種光耦器件大有不同。在電路中主要用于對mV級微弱的模擬信號進(jìn)行線性傳輸，在變頻器電路中，往往用于輸出電流的采樣與放大處理、主回路直流電壓的采樣與放大處理。
　　下圖為三類光耦器件的引腳、功能原理圖：
　　
　　三種光耦合器電路圖
　　四、第一類光耦器件的測量與在線檢測：
　　第一類型的光電耦合器，輸入端工作壓降約為1.2V，輸入最大電流50mA，典型應(yīng)用值為10 mA；輸出最大電流1A左右，因而可直接驅(qū)動小型繼電器，輸出飽合壓降小于0.4V?？捎糜趲资甼Hz較低頻率信號和直流信號的傳輸。對輸入電壓/電流有極性要求。當(dāng)形成正向電流通路時，輸出側(cè)兩引腳呈現(xiàn)通路狀態(tài)，正向電流小于一定值或承受一定反向電壓時，輸出側(cè)兩引腳之間為開路狀態(tài)。
　　測量方法：
　　數(shù)字表二極管檔，測量輸入側(cè)正向壓降為1.2V，反向無窮大。輸出側(cè)正、反壓降或電阻值均接近無窮大；
　　指針表的x10k電阻檔，測其1、2腳，有明顯的正、反電阻差異，正向電阻約為幾十kΩ，反向電阻無窮大；3、4腳正、反向電阻無窮大；
　　兩表測量法。用指針式萬用表的x10k電阻檔（能提供15V 或9V、幾十μA的電流輸出），正向接通1、2腳（黑筆搭1腳），用另一表的電阻檔用x1k測量3、4腳的電阻值，當(dāng)1、2腳表筆接入時，3、4腳之間呈現(xiàn)20kΩ左右的電阻值，脫開1、2腳的表筆，3、4腳間電阻為無窮大。
　　可用一個直流電源串入電阻，將輸入電流限制在10mA以內(nèi)。輸入電路接通時，3、4腳電阻為通路狀態(tài)，輸入電路開路時，3、4腳電阻值無窮大。
　　3、4種測量方法比較準(zhǔn)確，如用同型號光耦器件相比較，甚至可檢測出失效器件（如輸出側(cè)電阻過大）。
　　上述測量是新器件裝機前的必要過程。對上線不便測量的情況下，必要時也可將器件從電路中拆下，離線測量，進(jìn)一步判斷器件的好壞。
　　在實際檢修中，離線電阻測量不是很便利，上電檢測則較為方便和準(zhǔn)確。要采取措施，將輸入側(cè)電路變動一下，根據(jù)輸出側(cè)產(chǎn)生的相應(yīng)的變化（或無變化），測量判斷該器件的好壞。即打破故障電路中的“平衡狀態(tài)”，使之出現(xiàn)“暫態(tài)失衡”，從而將故障原因暴露出來。光耦器件的輸入、輸出側(cè)在電路中串有限流電阻，在上電檢測中，可用減?。ú⒙?lián)）電阻和加大電阻的方法（將其開路）等方法，配合輸出側(cè)的電壓檢測，判斷光耦器件的好壞。部分電路中，甚至可用直接短接或開路輸入側(cè)、輸出側(cè)，來檢測和觀察電路的動態(tài)變化，利于判斷故障區(qū)域和檢修工作的開展。
　　測量時的注意事項：光耦器件的一側(cè)可能與“強電”有直接聯(lián)系，觸及會有觸電危險，建議維修過程中為機器提供隔離電源！
　　下圖為常見三極管光耦器件的應(yīng)用電路圖。
　　
　　光電耦合器在線檢測示意圖
　　上圖中的（1）電路，為變頻器控制端子電路的數(shù)字信號輸入電路，當(dāng)正轉(zhuǎn)端子FWD與公共端子COM短接時，PC817的1、2腳之間的電壓由0V變?yōu)?.2V，4腳電壓由5V變?yōu)?V。同理，當(dāng)控制端子呈開路狀態(tài)時，PC817的1、2腳之間電壓為0V，而3、4腳之間電壓為5V。圖（1）電路可以看出光耦器件的各腳電壓值，故障或正常狀態(tài)測量輸入、輸出腳電壓即可得出判斷。
　　上圖（2）電路，測量1、2之間為0.7V（交流信號平均值），3、4腳之間為3V ，說明光電耦合器有了輸入信號，但光耦器件本身是否正常？用金屬鑷子短接PC817的1、2腳，測量4腳的電壓由原3V上升為5V（或有明顯上升），說明光耦器件是好的。若電壓不變，說明光耦損壞。
　　五、第二類光耦器件的測量與在線檢測：
　　第二種類型的光電耦合器（6N137），輸入端工作壓降約為1.5V左右，但輸入、輸出最大電流僅為mA級，只起到對較高頻率信號的傳輸作用，電路本身不具備電流驅(qū)動能力，可用于對MHz級信號進(jìn)行有效的傳輸。同第一類光耦器件一樣，對輸入電壓/電流有極性要求。當(dāng)形成正向電流通路時，輸出側(cè)兩引腳呈現(xiàn)通路狀態(tài)，正向電流小于一定值或承受一定反向電壓時，輸出側(cè)兩引腳之間為開路狀態(tài)。
　　此種類型光耦器件的構(gòu)成電路，同第一類光耦器件構(gòu)成的電路形式相類似，但電路傳輸?shù)男盘栴l率較高。其測量與檢查方法也基本上是相似的。如果說第一類光耦為低速和普通光耦，那么第二類光耦合器，可稱之為高速光耦，二者的區(qū)別，只是對信號響應(yīng)速度的不同，在電路形式上則是相同的。
　　在線測量，1、可用短接或開路2、3輸入腳，同時測量輸出6、5腳的電壓變化； 2、減小或加大輸入腳外接電阻，測量輸出腳電壓有無相應(yīng)變化；3、從+5V供電或其它供電串限流電阻引入到輸入腳，檢測輸出腳電壓有無相應(yīng)變化。來判斷器件是否正常。
六、第三類光耦器件——線性光耦：
　　線性光耦，是光電耦合器中一種比較特殊的器件了。
　　1、線性光耦的特點：
　?。?） 結(jié)構(gòu)特點：其輸入、輸出側(cè)電路，不再像第一類光耦器件一樣，只是
　　二極管/三極管的簡單電路，而是內(nèi)含放大器，并有各自獨立的供電回路；沒有信號輸入極性要求，只將輸入信號幅度進(jìn)行線性放大。
　?。?）輸入側(cè)信號輸入端，不再呈現(xiàn)發(fā)光二極管的正、反向特性，或許我們完全可以將兩個信號輸入端看作是運算放大器的兩個輸入端子——輸入阻抗非常高，不再吸取信號源電流；能用作微弱電壓信號的輸入和放大；能對差分信號有極高的放大能力，對共模信號有一定的抑制能力；
　?。?）輸出側(cè)電路，為差分信號輸出模式，便于與后級放大器連接，將信號作進(jìn)一步處理。
　　2、線性光耦器件A7840的引腳功能圖：
　　
　　A7840（HCPL-7840）功能方框圖
　　A7840（HCPL-7840）的工作參數(shù)：輸入側(cè)、輸出側(cè)的供電典型值為5V，輸入電阻480kΩ，最大輸入電壓320mV；差分信號輸出方式。內(nèi)部輸入電路有放大作用，且為高阻抗輸入，能不失真?zhèn)鬏攎V級交、直流信號，輸出信號作為后級運算放大器差分輸入信號。具有1000倍左右的電壓放大倍數(shù)。典型應(yīng)用，常與后級運算放大器配合，對微弱（交、直）電壓信號進(jìn)行放大和處理。
　　2、3腳為信號輸入腳，1、4腳為輸入側(cè)供電端；6、7腳為差分信號輸出腳，8、5腳為輸出側(cè)供電端。
　　在線檢測方法：可將內(nèi)部電路看作是一只“整體的運算放大器”，2、3腳為同相、反相輸入端，7、6腳為信號輸出端。當(dāng)短接2、3腳（使輸入信號為零）時，6、7腳之間輸出電壓也為零。當(dāng)2、3腳有mV級電壓輸入時，6、7腳之間有“放大了的”比例電壓輸出。
　　3、由A7840構(gòu)成的電流信號檢測電路：
　　
　　英威騰G9/P9小功率變頻器的輸出電流采樣電路
　　部分小功率變頻器機型，對輸出電流的采樣，省掉了電流互感器。在U、V輸出電路中直接串接了mΩ級的電流采樣電阻，將輸出電流信號由采樣電阻轉(zhuǎn)化為mV級電壓信號，將此電阻上的電壓信號經(jīng)R1、R2引入到U3、U4（A7840）R的信號輸入端，由U3、U4進(jìn)行光電隔離和線性傳輸，再經(jīng)U5（TL082）進(jìn)行放大（阻抗變換）后，送后級電流檢測與保護(hù)電路進(jìn)一步處理，再送入CPU。U4、U3輸入側(cè)的供電是由驅(qū)動電路供電（隔離電源）再經(jīng)U1、U2（L7805穩(wěn)壓器）穩(wěn)壓成5V來提供的，此電源必須是與控制電路相隔離的。U4、U5的輸出側(cè)供電，則是由CPU主板供電的+5V電源提供的。A7840將輸入百mV級電壓信號放大輸出為V級表征著輸出電流大小的差分電壓信號，再經(jīng)后級U5運算放大器反相輸出正電壓信號，送后后級電流信號處理電路。分別被處理成一定幅度的模擬信號送入CPU，用作輸出電流顯示及輸出控制；被處理成開關(guān)量信號，用于故障報警，停機保護(hù)等。
　　此兩路電流檢測信號輸出，在線路板上標(biāo)注有IU、IV字樣，是為檢測點。
　　4、由A7840構(gòu)成的直流回路電壓信號檢測電路：
　　
　　阿爾法ALPHA2000 18.5kW變頻器直流回路電壓檢測電路
　　阿爾法ALPHA2000 18.5kW變頻器直流回路電壓檢測電路，電壓采樣信號直接取自直流回路的P、N端的530V直流電壓，經(jīng)電阻降壓、分壓網(wǎng)絡(luò)，將分壓所得mV級電壓信號，加到小信號處理光電耦合器A7840（U14）的2、3輸入腳上，經(jīng)U14實施強、弱電隔離后，形成差分信號輸入到LF353運算放大器的2、3腳，本級電路接成電壓跟隨器，輸出信號由電位器中心頭（線路板上廠家標(biāo)注測試點VPN）輸出至CPU主板與電源/驅(qū)動板的排線端子CNN1的8腳。在三相輸入電壓為380V時，8腳采樣直流電壓為3V。
　　A7840的輸入側(cè)供電，是由開關(guān)變壓器的一個獨立繞組的交流電壓，經(jīng)D41、C46等整流濾波，由集成穩(wěn)壓器78L05穩(wěn)壓成5V提供的；輸出側(cè)供電，則采用CPU主板供電電源+5V。
　　直流回路電壓檢測信號由排線端子CNN1、CNM的8腳進(jìn)入CPU主板，一路經(jīng)R174直接輸入CPU的53腳，此路信號為模擬電壓信號，其作用：1、供操作面板顯示直流電壓值，有的變頻器機型經(jīng)程序換算后顯示輸入交流電壓值；2、有的機型用于對輸出U/F比的控制，使輸出電壓值比例于輸入電壓值；3、少數(shù)機型用于過、欠壓保護(hù)的采樣參考。
　　另一路經(jīng)R155送入LF393開路集電極輸出運放構(gòu)成的電壓比較器的反相輸入端，該路輸出信號與過流（OL）、OC、OH等信號一起混合為一路“故障匯總信號”，經(jīng)CPU外圍電路進(jìn)一步處理，送入CPU引腳，作停機保護(hù)和切斷驅(qū)動脈沖的控制。LF393的同相輸入端可看作為“可編程基準(zhǔn)電壓端”，其基準(zhǔn)電壓的幅值由CPU的42、51腳輸出電壓控制，在起動和運行過程中分別給出不同的基準(zhǔn)電壓值，與輸入電壓檢測信號相比較。變頻器的不同工作過程，則保護(hù)動作閥值也有所不同。
　　當(dāng)電壓檢測電路本身發(fā)生故障時，其檢修方法如下：
　　a、變頻器上電后，即報出過壓或欠壓故障，見上圖電壓檢測電路。測量CN1的8端子電壓，正常值應(yīng)為3V左右。測量此點電壓值偏高或偏低，說明電壓檢測電路有故障。首先檢測A7840的輸入側(cè)、輸出側(cè)的5V供電是否正常，LF353的正負(fù)15V供電是否正常，若不正常，修復(fù)相關(guān)電源供電支路。若正常，進(jìn)行下一步檢修；
　　b、測量A7840的2、3腳之間有100mV以上輸入電壓，用金屬尖鑷子短接A7840的2、3腳，測量LF353的輸出腳1腳電壓有明顯下降，說明以上電壓信號傳輸環(huán)節(jié)均正常，故障在LF353外接電位器不良或失調(diào)。更換并重新調(diào)整。調(diào)整變頻器的相關(guān)參數(shù)，令操作顯示面板顯示直流回路的電壓值，當(dāng)輸入三相電壓為380V時，調(diào)整該電位器，使直流電壓顯示值為530V，即可；
　　c、用金屬尖鑷子短接A7840的2、3腳，測量LF353的1腳電壓無變化，進(jìn)一步檢測LF353的輸入腳電壓（正常值為3左右，鑷子短接A7840輸入腳時變?yōu)镺V）值無變化，A7840或外電路元件損壞；LF353輸入腳電壓值為正常值， LF353損壞，更換LF353。
　　d、用鑷子短接A7840的2、3腳時，LF353輸入電壓值有變化，但其值偏低，如從1V變化為0V，檢查A7840外圍元件正常，故障為A7840低效，更換A7840。
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