直插式光耦的实用技巧
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    2018-07-13 16:49:26

    直插式光耦的实用技巧

       光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递,输入与输出在电气上完全隔离,具有抗干扰性能强的特 点。对于既包括弱电控制部分,又包括强电控制部分的工业应用测控系统,采用光耦


    隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离,达到抗干扰目的。但是,使用光耦隔离需要考虑以下几个问题:


    ①光耦直接用于隔离传输模拟量时,要考虑光耦的非线性问题;


    ②光耦隔离传输数字量时,要考虑光耦的响应速度问题;


    ③如果输出有功率要求的话,还得考虑光耦的功率接口设计问题。


    1:光电耦合器非线性的克服


    光电耦合器的输入端是发光二极管,因此,它的输入特性可用发光二极管的伏安特性来表示;输出端是光敏三极管,因此光敏三极管的伏安特性就是它的输出特性。由此可见,光电耦合器存在


    着非线性工作区域,直接用来传输模拟量时精度较差。


    解决方法之一,利用2个具有相同非线性传输特性的光电耦合器,T1和T2,以及2个射极跟随器A1和A2组成。如果T1和T2是同型号同批次的光电耦合器,可以认为他们的非线性传输特性是完全


    一致的,即K1(I1)=K2(I1),则放大器的电压增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=(R3/R2)[K1(I1)/K2(I1)]=R3/R2。由此可见,利用T1和T2电流传输特性的对称性,利用反馈原理,可以很好的补偿他们原


    来的非线性。


    另一种模拟量传输的解决方法,就是采用VFC(电压频率转换)方式。现场变送器输出模拟量信号(假设电压信号),电压频率转换器将变送器送来的电压信号转换成脉冲序列,通过光耦隔离后送


    出。在主机侧,通过一个频率电压转换电路将脉冲序列还原成模拟信号。此时,相当于光耦隔离的是数字量,可以消除光耦非线性的影响。这是一种有效、简单易行的模拟量传输方式。


    当然,也可以选择线性光耦进行设计,如精密线性光耦TIL300,高速线性光耦6N135/6N136。线性光耦一般价格比普通光耦高,但是使用方便,设计简单;随着器件价格的下降,使用线性光耦


    将是趋势。


    2:提高光电耦合器的传输速度


    当采用光耦隔离数字信号进行控制系统设计时,光电耦合器的传输特性,即传输速度,往往成为系统最大数据传输速率的决定因素。在许多总线式结构的工业测控系统中,为了防止各模块之


    间的相互干扰,同时不降低通讯波特率,我们不得不采用高速光耦来实现模块之间的相互隔离。常用的高速光耦有6N135/6N136,6N137/6N138。但是,高速光耦价格比较高,导致设计成本提


    高。这里介绍两种方法来提


    高普通光耦的开关速度。由于光耦自身存在的分布电容,对传输速度造成影响,光敏三极管内部存在着分布电容Cbe和Cce。由于光耦的电流传输比较低,其集电极负载电阻不能太小,否则输


    出电压的摆幅就受到了限制。但是,负载电阻又不宜过大,负载电阻RL越大,由于分布电容的存在,光电耦合器的频率特性就越差,传输延时也越长。


    用2只光电耦合器T1,T2接成互补推挽式电路,可以提高光耦的开关速度。当脉冲上升为"1"电平时,T1截止,T2导通。相反,当脉冲为"0"电平时,T1导通,T2截止。这种互补推挽式电路的频


    率特性大大优于单个光电耦合器的频率特性。


    此外,在光敏三极管的光敏基极上增加正反馈电路,这样可以大大提高光电耦合器的开关速度。通过增加一个晶体管,四个电阻和一个电容,实验证明,这个电路可以将光耦的最大数据传输


    速率提高10倍左右。


    3:光耦的功率接口设计


    微机测控系统中,经常要用到功率接口电路,以便于驱动各种类型的负载,如直流伺服电机、步进电机、各种电磁阀等。这种接口电路一般具有带负载能力强、输出电流大、工作电压高的特


    点。工程实践表明,提高功率接口的抗干扰能力,是保证工业自动化装置正常运行的关键。


    就抗干扰设计而言,很多场合下,既能采用光电耦合器隔离驱动,也能采用继电器隔离驱动。一般情况下,对于那些响应速度要求不很高的启停操作,我们采用继电器隔离来设计功率接口;对


    于响应时间要求很快的控制系统,采用光电耦合器进行功率接口电路设计。这是因为继电器的响应延迟时间需几十ms,而光电耦合器的延迟时间通常都在10us之内,同时采用新型、集成度高


    、使用方便的光电耦合器进行功率驱动接口电路设计,可以达到简化电路设计,降低散热的目的。


    对于交流负载,可以采用光电可控硅驱动器进行隔离驱动设计,例如TLP541G,4N39。光电可控硅驱动器,特点是耐压高,驱动电流不大,当交流负载电流较小时,可以直接用它来驱动。当负


    载电流较大时,可以外接功率双向可控硅。其中,R1为限流电阻,用于限制光电可控硅的电流;R2为耦合电阻,其上的分压用于触发功率


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