中心論題：
- 光電耦合器非線(xiàn)性的克服
- 提高光電耦合器的傳輸速度
- 光耦的功率接口設計
解決方案：
- 利用2個(gè)具有相同非線(xiàn)性傳輸特性的光電耦合器以及2個(gè)射極跟隨器
- 采用VFC(電壓頻率轉換)方式或選擇線(xiàn)性光耦進(jìn)行設計
- 用2只光電耦合器接成互補推挽式電路
- 在光敏三極管的光敏基極上增加正反饋電路
- 光電可控硅驅動(dòng)器進(jìn)行隔離驅動(dòng)設計
- 采用光電雙向可控硅驅動(dòng)器
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，中間通過(guò)電→光→電的轉換來(lái)傳輸電信號的半導體光電子器件。光電耦合器可根據不同要求，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，其內部結構如圖1a所示。
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：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；光耦隔離傳輸數字量時(shí)，要考慮光耦的響應速度問(wèn)題；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。
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，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，如圖1c所示。由圖可見(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。
圖1 光電耦合器結構及輸入、輸出特性
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，如圖2所示。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。
圖2 光電耦合線(xiàn)性電路
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，如圖3所示?，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。
圖3 VFC方式傳送信號
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。
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，往往成為系統最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，如圖4所示。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)。
圖4 光敏三極管內部分布電容
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，如圖5所示。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。
圖5 2只光電耦合器構成的推挽式電路
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)驗證明，這個(gè)電路可以將光耦的最大數據傳輸速率提高10倍左右。
圖6 通過(guò)增加光敏基極正反饋來(lái)提高光耦的開(kāi)關(guān)速度
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，我們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，我們采用光電耦合器進(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。
圖7是采用光電耦合器隔離驅動(dòng)直流負載的典型電路。因為普通光電耦合器的電流傳輸比CRT非常小，所以一般要用三極管對輸出電流進(jìn)行放大，也可以直接采用達林頓型光電耦合器(見(jiàn)圖8)來(lái)代替普通光耦T1。例如東芝公司的4N30。對于輸出功率要求更高的場(chǎng)合，可以選用達林頓晶體管來(lái)替代普通三極管，例如ULN2800高壓大電流達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到500mA和50V。
圖7 光電隔離，加三極管放大驅動(dòng)
圖8 達林頓型光電耦合器
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)，如圖9所示。當負載電流較大時(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。
圖9 小功率交流負載
圖10 大功率交流負載
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。圖11為交流可控驅動(dòng)電路，來(lái)自微機的控制信號 經(jīng)過(guò)光電雙向可控硅驅動(dòng)器T1隔離，控制雙向可控硅T2的導通，實(shí)現交流負載的功率控制。
圖11 交流可控電路
圖12為交流電源輸出直流可控電路。來(lái)自微機的控制信號 經(jīng)過(guò)光電雙向可控硅驅動(dòng)器隔離，控制可控硅橋式整流電路導通，實(shí)現交流一直流的功率控制。此電路已經(jīng)應用在我們實(shí)驗室研制的新型電機控制設備中，效果良好。
圖12 交-直流可控
