- 光電耦合器的性能特點(diǎn)
- 光電耦合器的選取原則
- TLP521-4簡(jiǎn)介
- 結合設計實(shí)際要求選擇單芯片集成多路光耦的器件
- 光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是不小于500％
- 光電耦合器的傳輸速度適中
光電耦合器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)光耦)是一種由發(fā)光器件和光敏器件組成的光電器件。它能實(shí)現電→光→電信號的轉換，并且輸入信號與輸出信號隔離。目前絕大多數的光耦輸入采用砷化鎵紅外發(fā)光二極管，輸出采用硅光電二極管、硅光電三極管及光觸發(fā)可控硅。因為峰值波長(cháng)900～940nm的砷化鎵紅外發(fā)光二極管能與硅光電器件的響應峰值波長(cháng)相吻合，可獲得較高的信號傳輸效率。
交換的兩設備之間的公共地線(xiàn)，使兩設備電氣隔離翻。同時(shí)，在電→光→電信號的轉換中，就光電耦合器件而言，只要其輸入端有一定的電流，其輸出端就能輸出相應的數字信號。因此，邏輯電平的信號傳遞變成了固定的電流環(huán)中電流有否的狀態(tài)傳遞。
適當增大電流(低阻傳輸)，使夾雜在信號中的電氣噪聲被完全限制在所選擇的開(kāi)關(guān)電流幅度內，即相對弱小的干擾信號電流無(wú)法改變有用信號電流的有無(wú)狀態(tài)，就可有效地抑制干擾，提高信息傳輸的可靠性。并增加數據的傳輸距離。光耦合器一般由光的發(fā)射、光的接收及信號放大組成。
輸入的電信號驅動(dòng)發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長(cháng)的光。被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。就完成了電一光一電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸人端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。
所以，它在長(cháng)線(xiàn)信息傳輸中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號隔離的接口器件，可大大增加計算機工作的可靠性。
光電耦合器的性能特點(diǎn)
光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號，輸人端與輸出端完全實(shí)現了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長(cháng)，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉換、信號隔離、級間隔離、開(kāi)關(guān)電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。在開(kāi)關(guān)電源中，利用線(xiàn)性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過(guò)調節控制端電流來(lái)改變占空比，達到精密穩壓目的。
光耦合器的技術(shù)參數主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極一發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極一發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)，此外，在傳輸數字信號時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)問(wèn)、延遲時(shí)間和存儲時(shí)間等參數。電流傳輸比CTR是光耦合器的重要參數，通常用直流電流傳輸比表示。當輸出電壓保持恒定時(shí)，其等于直流輸出電流IC與直流輸入電流，IF的百分比：CTR=IC／IF×100％。
采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍為20％～300％(如4N35)，而PC817為80％～160％，達林頓型光耦合器(如430)可達100％～5000％。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。
光電耦合器的選取原則
在設計光耦光電隔離電路時(shí)必須正確選擇光耦合器的型號及參數，選取原則如下：
(1)由于光電耦合器為信號單向傳輸器件，而電路中數據的傳輸是雙向的，電路板的尺寸要求一定，結合電路設計的實(shí)際要求，就要選擇單芯片集成多路光耦的器件；
(2)光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是不小于500％。因為當CTR<500％時(shí)，光耦中的LED就需要較大的工作電流(>5.0mA)，才能保證信號在長(cháng)線(xiàn)傳輸中不發(fā)生錯誤，這會(huì )增大光耦的功耗；
(3)光電耦合器的傳輸速度也是選取光耦必須遵循的原則之一，光耦開(kāi)關(guān)速度過(guò)慢，無(wú)法對輸入電平做出正確反應，會(huì )影響電路的正常工作。
(4)推薦采用線(xiàn)性光耦。其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內做線(xiàn)性調整。設計中由于電路輸入輸出均是一種高低電平信號，故此，電路工作在非線(xiàn)性狀態(tài)。而在線(xiàn)性應用中，因為信號不失真的傳輸，所以，應根據動(dòng)態(tài)工作的要求，設置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路工作在線(xiàn)性狀態(tài)。
通常情況下，單芯片集成多路光耦的器件速度都比較慢，而速度快的器件大多都是單路的，大量的隔離器件需要占用很大布板面積，也使得設計的成本大大增加。在設計中，受電路板尺寸、傳輸速度、設計成本等因素限制，無(wú)法選用速度上非常占優(yōu)勢的單路光耦器件，在此選用TOSHIBA公司的TLP521-4。
TLP521-4簡(jiǎn)介
光電隔離模塊TLP521-4(GB)是一款具有完整基極一發(fā)射極的性能優(yōu)良的固定延時(shí)光電耦合器，它具有最優(yōu)轉換速度、高溫性能等特點(diǎn)。該器件主要特性：電流轉換率為100％～500％；隔離電壓為2500Vrms(min)；發(fā)射一接收電壓為55V(min)；泄漏電流為lOμA(max)(Ta=85℃)；最小轉換時(shí)間為42μs。
[page]TLP52l-4(GB)的典型電路如圖1所示，具體的轉換時(shí)間參數見(jiàn)表1。由表1可知，TLP521_4(GB)最大傳輸延遲時(shí)間為42μs，系統需要在1ms內完成8個(gè)字節的讀或寫(xiě)，最大傳輸延遲時(shí)間已滿(mǎn)足電路傳輸延遲時(shí)間的水平，因而在傳輸速度上完全能夠滿(mǎn)足長(cháng)線(xiàn)傳輸的要求。通過(guò)對其輸入端的控制，可使光耦按工作需要打開(kāi)或關(guān)閉。當在輸入控制端加高電平時(shí)，光耦正常工作。將輸入端信號耦合到輸出端，而當在輸入控制端加低電平時(shí)，其輸出端集電極開(kāi)路三極管截止，對外呈高阻態(tài)。
電路設計
在長(cháng)線(xiàn)傳輸中，正是因為地線(xiàn)的交流阻抗特性，使得地線(xiàn)成了電路中事實(shí)上的最大噪聲源。地線(xiàn)造成干擾的主要原因是地線(xiàn)存在阻抗，當電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí)，會(huì )在地線(xiàn)上產(chǎn)生電壓，這就是地線(xiàn)噪聲。在這個(gè)電壓的驅動(dòng)下，會(huì )產(chǎn)生地線(xiàn)環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。南于發(fā)送和接收設備共用一段地線(xiàn)，會(huì )形成公共阻抗耦合。
采用光電隔離器TLP521-4對發(fā)送和接收設備進(jìn)行電氣隔離，對于減小交流阻抗的作用十分明顯，進(jìn)而增大傳輸電流，有效地抑制地線(xiàn)噪聲；同時(shí)由于74LS244N的應用?？偩€(xiàn)驅動(dòng)能力得到保障。圖2為光耦發(fā)送和接收電路示意圖。圖2中，上半部?jì)晒怦钭宰笙蛴覀鬏斝盘?，下半部?jì)晒怦钭杂蚁蜃髠鬏斝盘?，左?4LS244N通過(guò)靜態(tài)存儲器IDT7132與處理器進(jìn)行數據交換，右端通過(guò)8255與處理器進(jìn)行數據交換。
調試中，輸入周期為100μs，占空比為1／2的+5V方波，對一路光耦的輸入端波形和經(jīng)過(guò)20m長(cháng)線(xiàn)后接收光耦的輸出端波形以及經(jīng)過(guò)74LS244整形后的波形進(jìn)行記錄。記錄結果如圖3所示。
從輸入輸出波形的比較來(lái)看，電路能對輸入波形中疊加的噪聲干擾具有明顯的抑制作用，使輸出波形變得光滑且穩定，提高了輸出信噪比。雖然由于光耦的轉換時(shí)間問(wèn)題，波形的占空比發(fā)生了微量變換，但是由于電路輸入輸出均是一種高低電平信號，故不影響信號的正確傳輸。
采用上述方法應用于并口長(cháng)線(xiàn)傳輸電路，能夠在保持并口傳輸的速度優(yōu)勢以及系統結構不變時(shí)，保證信號傳輸的準確性。在長(cháng)距離的并口傳輸中，只要對原來(lái)短距離并口電路稍加改動(dòng)，就可以保證通信雙方的高速隔離并進(jìn)行通信，因而具有較大實(shí)用價(jià)值。
