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使用光耦隔離需要考慮的幾個(gè)問(wèn)題

光耦以光信號為媒介來(lái)實(shí)現電信號的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強的特點(diǎn)。對于既包括弱電控制部分，又包括強電控制部分的工業(yè)應用測控系統，采用光耦隔離可以很好地實(shí)現弱電和強電的隔離，達到抗干擾目的。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(xiàn)性問(wèn)題；
②光耦隔離傳輸數字量時(shí)，要考慮光耦的響應速度問(wèn)題；
③如果輸出有功率要求的話(huà)，還得考慮光耦的功率接口設計問(wèn)題。

1：光電耦合器非線(xiàn)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；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。由此可見(jiàn)，光電耦合器存在著(zhù)非線(xiàn)性工作區域，直接用來(lái)傳輸模擬量時(shí)精度較差。

解決方法之一，利用2個(gè)具有相同非線(xiàn)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是同型號同批次的光電耦合器，可以認為他們的非線(xiàn)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電流傳輸特性的對稱(chēng)性，利用反饋原理，可以很好的補償他們原來(lái)的非線(xiàn)性。

另一種模擬量傳輸的解決方法，就是采用VFC（電壓頻率轉換）方式?，F場(chǎng)變送器輸出模擬量信號（假設電壓信號），電壓頻率轉換器將變送器送來(lái)的電壓信號轉換成脈沖序列，通過(guò)光耦隔離后送出。在主機側，通過(guò)一個(gè)頻率電壓轉換電路將脈沖序列還原成模擬信號。此時(shí)，相當于光耦隔離的是數字量，可以消除光耦非線(xiàn)性的影響。這是一種有效、簡(jiǎn)單易行的模擬量傳輸方式。

當然，也可以選擇線(xiàn)性光耦進(jìn)行設計，如精密線(xiàn)性光耦TIL300，高速線(xiàn)性光耦6N135/6N136。線(xiàn)性光耦一般價(jià)格比普通光耦高，但是使用方便，設計簡(jiǎn)單；隨著(zhù)器件價(jià)格的下降，使用線(xiàn)性光耦將是趨勢。

2：提高光電耦合器的傳輸速度

當采用光耦隔離數字信號進(jìn)行控制系統設計時(shí)，光電耦合器的傳輸特性，即傳輸速度，往往成為系統大數據傳輸速率的決定因素。在許多總線(xiàn)式結構的工業(yè)測控系統中，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，導致設計成本提高。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，對傳輸速度造成影響，光敏三極管內部存在著(zhù)分布電容Cbe和Cce。由于光耦的電流傳輸比較低，其集電極負載電阻不能太小，否則輸出電壓的擺幅就受到了限制。但是，負載電阻又不宜過(guò)大，負載電阻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(cháng)。

用2只光電耦合器T1，T2接成互補推挽式電路，可以提高光耦的開(kāi)關(guān)速度。當脈沖上升為“1”電平時(shí)，T1截止，T2導通。相反，當脈沖為“0”電平時(shí)，T1導通，T2截止。這種互補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。通過(guò)增加一個(gè)晶體管，四個(gè)電阻和一個(gè)電容，實(shí)驗證明，這個(gè)電路可以將光耦的大數據傳輸速率提高10倍左右。

3：光耦的功率接口設計

微機測控系統中，經(jīng)常要用到功率接口電路，以便于驅動(dòng)各種類(lèi)型的負載，如直流伺服電機、步進(jìn)電機、各種電磁閥等。這種接口電路一般具有帶負載能力強、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)化裝置正常運行的關(guān)鍵。

就抗干擾設計而言，很多場(chǎng)合下，既能采用光電耦合器隔離驅動(dòng)，也能采用繼電器隔離驅動(dòng)。一般情況下，對于那些響應速度要求不很高的啟停操作，我們采用繼電器隔離來(lái)設計功率接口；對于響應時(shí)間要求很快的控制系統，采用光電耦合器進(jìn)行功率接口電路設計。這是因為繼電器的響應延遲時(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，同時(shí)采用新型、集成度高、使用方便的光電耦合器進(jìn)行功率驅動(dòng)接口電路設計，可以達到簡(jiǎn)化電路設計，降低散熱的目的。

對于交流負載，可以采用光電可控硅驅動(dòng)器進(jìn)行隔離驅動(dòng)設計，例如TLP541G，4N39。光電可控硅驅動(dòng)器，特點(diǎn)是耐壓高，驅動(dòng)電流不大，當交流負載電流較小時(shí)，可以直接用它來(lái)驅動(dòng)。當負載電流較大時(shí)，可以外接功率雙向可控硅。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。當需要對輸出功率進(jìn)行控制時(shí)，可以采用光電雙向可控硅驅動(dòng)器，例如MOC3010。

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