光耦隔离(线性光耦隔离)

光电隔离输入输出控制

1.1的多功能控制终端。源输入通过开路发射器和外部电源(1)连接到PLC。当外部电源为12.4V时，输出波形平滑，如下图所示:

2.2的多功能控制端子。源输入直接连接到带有开路发射器的PLC。此时我们没有外接电源，只有内部固定电源的功能。我们可以看到输出输入电压为24.4V，输出电压为5.04V，其输入输出电压原理图如下:

光耦隔离技术的应用技巧

光耦(简称光耦)是一种半导体光电器件，将发光元件和光敏元件封装在同一外壳内，通过中间电→光→电的转换来传输电信号。光耦合器可以根据不同的要求，由不同种类的发光元件和光敏元件组合成许多系列的光耦合器。目前广泛使用的是由LED和光电晶体管组成的光电耦合器，其内部结构如图1a所示。

光耦以光信号为媒介，实现电信号的耦合和传输。输入输出完全电气隔离，抗干扰能力强。对于弱电流和弱电流

控制部分，以及高压控制部分的工业应用测控系统，采用光耦隔离，实现弱电和高压的隔离，从而达到抗干扰的目的。然而，使用光耦合器隔离时，需要考虑以下问题:

①直接用光耦隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问题；

②隔离传输数字量时要考虑光耦的响应速度；

③如果输出有电源要求，要考虑光耦的电源接口设计。

1.克服光电耦合器的非线性

光电耦合器的输入端是发光二极管，所以其输入特性可以用发光二极管的伏安特性来表示，如图1b所示；输出端是光电晶体管，所以光电晶体管的伏安特性就是它的输出特性。

一种解决方案是使用两个光电耦合器T1和T2，以及两个发射极跟随器A1和A2，它们具有相同的非线性传输特性。如果T1和T2是同型号同批次的光耦，可以认为它们的非线性传输特性是完全一致的，即K1(I1)=K2(I1)，那么放大器的电压增益G = uo/u1 = i3r 3/i2r 2 =(R3/R2)[K1(i1)/K2(i1)]= R3/R2。因此，利用T1和T2的电流传输特性的对称性和反馈原理，可以很好地补偿它们原来的非线性。

模拟传输的另一种解决方案是采用VFC(电压频率转换)，如图3所示。现场变送器输出模拟信号(假设为电压信号)，电压频率转换器将变送器发出的电压信号转换成脉冲序列，经光耦隔离后发出。在主机侧，频率-电压转换电路将脉冲序列恢复为模拟信号。此时的数字量相当于光耦隔离，可以消除光耦非线性的影响。这是一种有效、简单、易行的模拟传输方式。

当然也可以选择线性光耦进行设计，比如精密线性光耦TIL300，高速线性光耦6N135/6N136。一般线性光耦价格比普通光耦高，但使用方便，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。

当光耦用于隔离数字信号进行控制系统设计时，光耦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。在许多总线结构的工业测控系统中，为了防止模块间的相互干扰，又不降低通信波特率，不得不使用高速光耦来实现模块间的相互隔离。常用的高速光耦有6N135/6N136、6N137/6N138。但是高速光耦价格比较高，导致设计成本增加。介绍了两种提高普通光耦开关速度的方法。

由于光耦本身的分布电容，传输速度受到影响。光电晶体管中有分布电容Cbe和Cce，如图4所示。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会受到限制。但是，负载电阻不能太大。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越差，传输延迟越长。

两个光电耦合器T1和T2连接成互补推挽电路，可以提高光电耦合器的开关速度，如图5所示。当脉冲上升到“1”电平时，T1关闭，T2开启。相反，当脉冲处于“0”电平时，T1导通，T2关断。这种互补推挽电路的频率特性比单个光电耦合器好得多。

另外，在光电晶体管的光敏基极上加一个正反馈电路，可以大大提高光电耦合器的开关速度。如图6所示，通过增加一个晶体管、四个电阻和一个电容，实验证明该电路可以将光耦的最大数据传输速率提高10倍左右。

3.光耦电源接口的设计。

在微机测控系统中，电源接口电路常被用来驱动各种类型的负载，如DC伺服电机、步进电机、各种电磁阀等。这种接口电路一般具有负载能力强、输出电流大、工作电压高的特点。工程实践表明，提高电源接口的抗干扰能力是保证工业自动化设备正常运行的关键。

就抗干扰设计而言，在很多场合，我们可以同时使用光电耦合器和继电器隔离驱动。一般来说，对于那些响应速度要求不高的启停操作，我们采用继电器隔离来设计电源接口；对于响应时间快的控制系统，采用光电耦合器设计电源接口电路。这是因为继电器的响应延迟时间需要几十ms，而光电耦合器的延迟时间通常在10us以内。同时，采用集成度高、使用方便的新型光电耦合器设计功率驱动接口电路，可以简化电路设计，减少散热。

由于普通光耦的电流传输相比CRT非常小，一般需要用三极管放大输出电流，或者直接用达林顿光耦(见图8)代替普通光耦T1。例如东芝公司的4N30。对于输出功率要求较高的场合，可以用达林顿晶体管代替普通三极管，如ULN2800高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，其输出电流和输出电压分别达到500mA和50V。

对于交流负载，光电晶闸管驱动器可用于隔离驱动设计，如TLP541G和4N39。光电可控硅驱动器的特点是耐压高，驱动电流小。当交流负载电流较低时，可以直接驱动，如图9所示。当负载电流较大时，可以外接功率双向晶闸管，如图10所示。R1是限流电阻，用来限制光电晶闸管的电流；R2是一个耦合电阻，其分压用于触发功率三端双向可控硅开关。

当需要控制输出功率时，可以使用光电triac驱动器，如MOC3010。图11示出了交流可控驱动电路。来自微机的控制信号被光电三端双向可控硅T1隔离，控制三端双向可控硅T2的导通，实现交流负载的功率控制。

光电双向晶闸管驱动器隔离来自微机的控制信号，控制晶闸管桥式整流电路的导通，实现交流DC的功率控制。该电路已应用于本实验室研制的新型电机控制设备中，效果良好。

光耦合隔离的耦合方法

在一般隔离电源中，光耦隔离反馈是一种简单且低成本的方式。但是，目前还没有对光耦反馈的各种连接方式及其差异进行深入的研究。而且在很多场合，由于对光耦的工作原理了解不够，混淆了光耦的方法，往往导致电路不能正常工作。本研究将详细分析光耦的工作原理，比较光耦反馈的几种典型耦合方式。

几种常见的连接方式及其工作原理

反馈常用的光耦型号有TLP521、PC817等。这里以TLP521为例，介绍一下这种光耦的特点。

TLP521的原边相当于一个发光二极管。初级电流If越大，光强越强，次级晶体管的电流Ic越大。次级三极管的电流Ic与初级二极管的电流If之比称为光耦的电流放大系数，它随温度而变化，受温度影响很大。而用于反馈的光耦正是利用“初级电流的变化会导致次级电流的变化”来实现反馈。因此，当环境温度变化剧烈时，由于放大倍数的温漂较大，应尽量使用光耦实现反馈。另外，在使用这种光耦时，一定要注意外围参数的设计，使其工作在较宽的线性带内，否则电路对工作参数的敏感性太强，不利于电路的稳定工作。

一般情况下，TL431与TLP521结合使用进行反馈。此时TL431的工作原理相当于一个内部基准为2.5 V的电压误差放大器，所以要在其引脚1和引脚3之间连接一个补偿网络。

普通光耦合器反馈的第一种连接如图1所示。图中，Vo为输出电压，Vd为芯片的电源电压。Com信号接在芯片的误差放大器的输出管脚上，或者PWM芯片(如UC3525)内部电压误差放大器接在同相放大器的形式上，com信号接在它对应的同相端管脚上。注意左边的地是输出电压地，右边的地是芯片电源电压地，用光耦隔离。

图1所示连接的工作原理如下:当输出电压上升时，TL431的第一个引脚(相当于电压误差放大器的反向输入端)的电压上升，第三个引脚(相当于电压误差放大器的输出引脚)的电压下降，导致光耦TLP521的初级电流If增加， 光耦合器另一端的输出电流Ic增加，电阻R4上的压降增加，com引脚的电压降低，导致/[/k0/。 相反，当输出电压降低时，调节过程类似。

第二种常见的连接方法如图2所示。与第一种连接不同的是，在这种连接中，光耦的第四个引脚直接连接到芯片的误差放大器的输出端，而芯片内部的电压误差放大器必须以同相端的电位高于反相端的电位的方式连接。利用运算放大器的一个特性——当运算放大器的输出电流过大(超过运算放大器的输出能力)时，运算放大器的输出电压会下降，输出电流越大，输出电压下降越多。因此，在这种连接的电路中，PWM芯片的误差放大器的两个输入引脚必须连接到一个固定的电位，同一端的电位必须高于相对端的电位，这样误差放大器的初始输出电压就高。