光耦隔离的接法

光耦隔离输入输出控制

1.Source Input 多功能控制端子与开发射极的PLC及外部电源相连 ﹙1﹚ 外部电源为12.4V时输出波形平滑，如下图可见：

2.Source Input 多功能控制端子与开发射极的PLC直接相连，此时我们没有加外部电源 ，因此只有内部固定电源的作用，我们可以看输出输入电压为24.4V，输出电压为5.04V，其输入输出电压示意图如下：

光耦隔离技术使用技巧

光电耦合器（简称光耦），是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内，中间通过电→光→电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。光电耦合器可根据不同要求，由不同种类的发光元件和光敏元件组合成许多系列的光电耦合器。目前应用最广的是发光二极管和光敏三极管组合成的光电耦合器，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，如图1b所示；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。

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，如图3所示。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，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，如图5所示。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。如图6所示电路，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，我们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，我们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。

因为普通光电耦合器的电流传输比CRT非常小，所以一般要用三极管对输出电流进行放大，也可以直接采用达林顿型光电耦合器（见图8）来代替普通光耦T1。例如东芝公司的4N30。对于输出功率要求更高的场合，可以选用达林顿晶体管来替代普通三极管，例如ULN2800高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，它的输出电流和输出电压分别达到500mA和50V。

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，如图9所示。当负载电流较大时，可以外接功率双向可控硅，如图10所示。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双向可控硅。

当需要对输出功率进行控制时，可以采用光电双向可控硅驱动器，例如MOC3010。图11为交流可控驱动电路，来自微机的控制信号 经过光电双向可控硅驱动器T1隔离，控制双向可控硅T2的导通，实现交流负载的功率控制。

来自微机的控制信号 经过光电双向可控硅驱动器隔离，控制可控硅桥式整流电路导通，实现交流一直流的功率控制。此电路已经应用在我们实验室研制的新型电机控制设备中，效果良好。

光耦隔离的接法

在一般的隔离电源中，光耦隔离反馈是一种简单、低成本的方式。但对于光耦反馈的各种连接方式及其区别，目前尚未见到比较深入的研究。而且在很多场合下，由于对光耦的工作原理理解不够深入，光耦接法混乱，往往导致电路不能正常工作。本研究将详细分析光耦工作原理，并针对光耦反馈的几种典型接法加以对比研究。

常见的几种连接方式及其工作原理

常用于反馈的光耦型号有TLP521、PC817等。这里以TLP521为例，介绍这类光耦的特性。

TLP521的原边相当于一个发光二极管，原边电流If越大，光强越强，副边三极管的电流Ic越大。副边三极管电流Ic与原边二极管电流If的比值称为光耦的电流放大系数，该系数随温度变化而变化，且受温度影响较大。作反馈用的光耦正是利用“原边电流变化将导致副边电流变化”来实现反馈，因此在环境温度变化剧烈的场合，由于放大系数的温漂比较大，应尽量不通过光耦实现反馈。此外，使用这类光耦必须注意设计外围参数，使其工作在比较宽的线性带内，否则电路对运行参数的敏感度太强，不利于电路的稳定工作。

通常选择TL431结合TLP521进行反馈。这时，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，所以在其1脚与3脚之间，要接补偿网络。

常见的光耦反馈第1种接法，如图1所示。图中，Vo为输出电压，Vd为芯片的供电电压。com信号接芯片的误差放大器输出脚，或者把PWM 芯片（如UC3525）的内部电压误差放大器接成同相放大器形式，com信号则接到其对应的同相端引脚。注意左边的地为输出电压地，右边的地为芯片供电电压地，两者之间用光耦隔离。

图1所示接法的工作原理如下：当输出电压升高时，TL431的1脚（相当于电压误差放大器的反向输入端）电压上升，3脚（相当于电压误差放大器的输出脚） 电压下降，光耦TLP521的原边电流If增大，光耦的另一端输出电流Ic增大，电阻R4上的电压降增大，com引脚电压下降，占空比减小，输出电压减小；反之，当输出电压降低时，调节过程类似。

常见的第2种接法，如图2所示。与第1种接法不同的是，该接法中光耦的第4脚直接接到芯片的误差放大器输出端，而芯片内部的电压误差放大器必须接成同相端电位高于反相端电位的形式，利用运放的一种特性—— 当运放输出电流过大（超过运放电流输出能力）时，运放的输出电压值将下降，输出电流越大，输出电压下降越多。因此，采用这种接法的电路，一定要把PWM 芯片的误差放大器的两个输入引脚接到固定电位上，且必须是同向端电位高于反向端电位，使误差放大器初始输出电压为高。