本文主要是關(guān)于光耦隔離的相關(guān)介紹，并著重對(duì)光耦隔離的輸入輸出及其接法進(jìn)行了詳盡的闡述。
光耦隔離輸入輸出控制
1.Source?Input?多功能控制端子與開(kāi)發(fā)射極的PLC及外部電源相連???﹙1﹚?外部電源為12.4V時(shí)輸出波形平滑，如下圖可見(jiàn)：
2.Source?Input?多功能控制端子與開(kāi)發(fā)射極的PLC直接相連，此時(shí)我們沒(méi)有加外部電源?，因此只有內(nèi)部固定電源的作用，我們可以看輸出輸入電壓為24.4V，輸出電壓為5.04V，其輸入輸出電壓示意圖如下：
光耦隔離技術(shù)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；
?、?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；
?、?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。
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。
另一種模擬量傳輸?shù)慕鉀Q方法，就是采用VFC（電壓頻率轉(zhuǎn)換）方式，如圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)變送器輸出模擬量信號(hào)（假設(shè)電壓信號(hào)），電壓頻率轉(zhuǎn)換器將變送器送來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖序列，通過(guò)光耦隔離后送出。在主機(jī)側(cè)，通過(guò)一個(gè)頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將脈沖序列還原成模擬信號(hào)。此時(shí)，相當(dāng)于光耦隔離的是數(shù)字量，可以消除光耦非線性的影響。這是一種有效、簡(jiǎn)單易行的模擬量傳輸方式。
當(dāng)然，也可以選擇線性光耦進(jìn)行設(shè)計(jì)，如精密線性光耦TIL300，高速線性光耦6N135/6N136。線性光耦一般價(jià)格比普通光耦高，但是使用方便，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；隨著器件價(jià)格的下降，使用線性光耦將是趨勢(shì)。
2、提高光電耦合器的傳輸速度
當(dāng)采用光耦隔離數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，光電耦合器的傳輸特性，即傳輸速度，往往成為系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)傳輸速率的決定因素。在許多總線式結(jié)構(gòu)的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，為了防止各模塊之間的相互干擾，同時(shí)不降低通訊波特率，我們不得不采用高速光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊之間的相互隔離。常用的高速光耦有6N135/6N136，6N137/6N138。但是，高速光耦價(jià)格比較高，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本提高。這里介紹兩種方法來(lái)提高普通光耦的開(kāi)關(guān)速度。
由于光耦自身存在的分布電容，對(duì)傳輸速度造成影響，光敏三極管內(nèi)部存在著分布電容Cbe和Cce，如圖4所示。由于光耦的電流傳輸比較低，其集電極負(fù)載電阻不能太小，否則輸出電壓的擺幅就受到了限制。但是，負(fù)載電阻又不宜過(guò)大，負(fù)載電阻RL越大，由于分布電容的存在，光電耦合器的頻率特性就越差，傳輸延時(shí)也越長(zhǎng)。
用2只光電耦合器T1，T2接成互補(bǔ)推挽式電路，可以提高光耦的開(kāi)關(guān)速度，如圖5所示。當(dāng)脈沖上升為“1”電平時(shí)，T1截止，T2導(dǎo)通。相反，當(dāng)脈沖為“0”電平時(shí)，T1導(dǎo)通，T2截止。這種互補(bǔ)推挽式電路的頻率特性大大優(yōu)于單個(gè)光電耦合器的頻率特性。
此外，在光敏三極管的光敏基極上增加正反饋電路，這樣可以大大提高光電耦合器的開(kāi)關(guān)速度。如圖6所示電路，通過(guò)增加一個(gè)晶體管，四個(gè)電阻和一個(gè)電容，實(shí)驗(yàn)證明，這個(gè)電路可以將光耦的最大數(shù)據(jù)傳輸速率提高10倍左右。
3、光耦的功率接口設(shè)計(jì)
微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到功率接口電路，以便于驅(qū)動(dòng)各種類(lèi)型的負(fù)載，如直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、各種電磁閥等。這種接口電路一般具有帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出電流大、工作電壓高的特點(diǎn)。工程實(shí)踐表明，提高功率接口的抗干擾能力，是保證工業(yè)自動(dòng)化裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵。
就抗干擾設(shè)計(jì)而言，很多場(chǎng)合下，我們既能采用光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng)，也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。
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。
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。
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。
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。
光耦隔離的接法
在一般的隔離電源中，光耦隔離反饋是一種簡(jiǎn)單、低成本的方式。但對(duì)于光耦反饋的各種連接方式及其區(qū)別，目前尚未見(jiàn)到比較深入的研究。而且在很多場(chǎng)合下，由于對(duì)光耦的工作原理理解不夠深入，光耦接法混亂，往往導(dǎo)致電路不能正常工作。本研究將詳細(xì)分析光耦工作原理，并針對(duì)光耦反饋的幾種典型接法加以對(duì)比研究。
常見(jiàn)的幾種連接方式及其工作原理
常用于反饋的光耦型號(hào)有TLP521、PC817等。這里以TLP521為例，介紹這類(lèi)光耦的特性。
TLP521的原邊相當(dāng)于一個(gè)發(fā)光二極管，原邊電流If越大，光強(qiáng)越強(qiáng)，副邊三極管的電流Ic越大。副邊三極管電流Ic與原邊二極管電流If的比值稱(chēng)為光耦的電流放大系數(shù)，該系數(shù)隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。作反饋用的光耦正是利用“原邊電流變化將導(dǎo)致副邊電流變化”來(lái)實(shí)現(xiàn)反饋，因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場(chǎng)合，由于放大系數(shù)的溫漂比較大，應(yīng)盡量不通過(guò)光耦實(shí)現(xiàn)反饋。此外，使用這類(lèi)光耦必須注意設(shè)計(jì)外圍參數(shù)，使其工作在比較寬的線性帶內(nèi)，否則電路對(duì)運(yùn)行參數(shù)的敏感度太強(qiáng)，不利于電路的穩(wěn)定工作。
通常選擇TL431結(jié)合TLP521進(jìn)行反饋。這時(shí)，TL431的工作原理相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)為2.5 V的電壓誤差放大器，所以在其1腳與3腳之間，要接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
常見(jiàn)的光耦反饋第1種接法，如圖1所示。圖中，Vo為輸出電壓，Vd為芯片的供電電壓。com信號(hào)接芯片的誤差放大器輸出腳，或者把PWM 芯片（如UC3525）的內(nèi)部電壓誤差放大器接成同相放大器形式，com信號(hào)則接到其對(duì)應(yīng)的同相端引腳。注意左邊的地為輸出電壓地，右邊的地為芯片供電電壓地，兩者之間用光耦隔離。
圖1所示接法的工作原理如下：當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，TL431的1腳（相當(dāng)于電壓誤差放大器的反向輸入端）電壓上升，3腳（相當(dāng)于電壓誤差放大器的輸出腳） 電壓下降，光耦TLP521的原邊電流If增大，光耦的另一端輸出電流Ic增大，電阻R4上的電壓降增大，com引腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減小；反之，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程類(lèi)似。
常見(jiàn)的第2種接法，如圖2所示。與第1種接法不同的是，該接法中光耦的第4腳直接接到芯片的誤差放大器輸出端，而芯片內(nèi)部的電壓誤差放大器必須接成同相端電位高于反相端電位的形式，利用運(yùn)放的一種特性—— 當(dāng)運(yùn)放輸出電流過(guò)大（超過(guò)運(yùn)放電流輸出能力）時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓值將下降，輸出電流越大，輸出電壓下降越多。因此，采用這種接法的電路，一定要把PWM 芯片的誤差放大器的兩個(gè)輸入引腳接到固定電位上，且必須是同向端電位高于反向端電位，使誤差放大器初始輸出電壓為高。
結(jié)語(yǔ)
關(guān)于光耦隔離的相關(guān)介紹就到這了，希望通過(guò)本文能讓你對(duì)?光耦隔離有更全面的認(rèn)識(shí)。