光耦以光信號(hào)為媒介來實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上*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題；
②光耦隔離傳輸數(shù)字量時(shí)，要考慮光耦的響應(yīng)速度問題；
③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，光電耦合器存在著非線性工作區(qū)域，直接用來傳輸模擬量時(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*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，利用T1和T2電流傳輸特性的對(duì)稱性，利用反饋原理，可以很好的補(bǔ)償他們?cè)瓉淼姆蔷€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。現(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)換器將變送器送來的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖序列，通過光耦隔離后送出。在主機(jī)側(cè)，通過一個(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)zui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提
光耦高普通光耦的開關(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。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，可以提高光耦的開關(guān)速度。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關(guān)速度。通過增加一個(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zui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*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，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)，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。
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)，可以直接用它來驅(qū)動(dòng)。當(dāng)負(fù)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(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。
會(huì)員1.png)