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新手必知 入门阶段该了解的那些光耦知识
来源：电源网综合
编辑：铃铛
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。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。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。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。
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，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，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。
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。当负载电流较大时，可以外接功率双向可控硅。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。
通过以上的介绍，可以看到在入门阶段需要掌握的知识还是非常之多的。因此小编帮助大家进行了分门别类的整理，大家可以按照本文给出的顺序和内容进行系统的阅读，从而全面的了解光耦在电子电路设计当中的应用。小编在之后会继续收集类似的基础文章，请大家持续关注电源网的更多精彩内容。
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数字信号光耦合器应用电路设计
本文由3毁灭天使3贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查 看。 2008 年 10 月 第 10 期 电子测试 EL EC TRON IC TEST Oct . 2008 No . 10 数字信号光耦合器应用电路设计 田德恒 ( 莱芜职业技术学院信息工程系 　 莱芜 　 271100) 摘 　 : 较强的输入信号可直接驱动光耦的发光二极管 ,较弱的则需放大后才能驱动 光耦 。在光耦光敏三极管 要 的集电极或发射极直接接负载电阻即可满足较小的负载要 求 ; 在光耦光敏三极管的发射极加三极管放大驱动 , 通过两只光电耦合器构成的推挽式 电路以及通过增加光敏三极管基极正反馈 ,既达到较强的负载能力 ,提高了 功率接口的 抗干扰能力 ,克服了光耦的输出功率不足的缺点 ,又提高光耦的开关速度 ,克服了由于光 耦自身存在 的分布电容 ,对传输速度造成影响 。最后给出了光耦合器在数字电路中应用 示例 。 关键词 : 数字信号 ; 光电耦合器 ; 输入电路 ; 输出电路 中图分类号 : TP211 　　 文献标识码 : B Applied circuit design of optoelect ro nic co upler to t he digital signal Tian Deheng ( Dept of Information Engineering , Lai Wu Vocational College ,Laiwu 271100 ,China) Abstract :The light2emitting diode of optoco upler can be directly drived by st ro nger inp ut sig2 nal s , t he weaker t he inp ut signal can be enlarged before driving optoco upler. Co nnecting direct 2 ly load resistance wit h t he collector or emit ter of p hotot ransistor to meet smaller load require2 drover by t he amplifier t rio de o n t he emitter of p hotot ransistor ,p ush2p ull circuit s co n2 sisting of two optoco upler as well as po sitive feedback added to base of t he p hotot ransistor not o nly achieve st ro ng load capacit y and enhance t he power of t he interface anti2jamming capabili2 t y , but al so overco me t he shortco mings of t he scant o utp ut power , increase t he switching speed ,overco me effect o n t he speed of t he t ransmissio n due to t he dist ributio n of capacitance. Finally , t he applicatio n example of t he optoco upler in t he digital circuit is given. Keywords : optoel o utp ut circuit 0 　 　　 引 言 光电耦合器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2光2电” 转换来传输 电信号的半导体光电子器件 。光耦合器的主要优 点是单向传输信号 ,输入端与输出端完全实现了电 气隔离 ,抗干扰 能力强 , 使用寿命长 , 传输效率高 。 它广泛用于电平转换 、 信号隔离 、 级间隔离 、 开关电 76 测试工具与解决方案 路、 远距离信号传输 、 脉冲放大、 固态继电器 ( SSR) 、 仪器仪表、 通信设备及微机接口中。 光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向 压降 V F 、 正向电流 IF 、 电流传输比 C TR 、 输入级与 输出级之间的绝缘电阻 、 集电 极2发射极反向击穿 电压 V (BR) CEO 、 集电极2发射极饱和压降 V CE( sat) 。在 传 输数字信号时还需考虑上升时间 、 下降时间 、 延 迟时间和存储时间等参数 。 电流 传输比是光耦合器的重要参数 ,通常用直 流电流传输比来表示 。当输出电压保持恒定时 , 它 等于直流输出电流 IC 与直流输入电流 IF 的百分 比 。采用一只光敏三极管的光 耦合器 , C TR 的范 围大多为 20 %～ 300 % ( 如 4N35 ) , 而 PC817 则为 80 %～ 160 % , 达林顿型光耦合器 ( 如 4N30 ) 可达100 %～5000 % 。这表明欲获得同样的输出电流 , 2008. 10 式中 : U H 为数字信号高电平电压值 ; U F 为发光二极 管导通电压 ; IF 为导通 电流 ,可从手册上查得。 图 1 ( b) 电路中 , R1 按如下估算 : V CC - U L - U F ( 2) R1 = IF 式中 : U L 为低电平电压值 。 当输入信号较弱时 , 须经放大后能驱动光耦 。 增 大电流驱动电路如图 1 ( c) 所示 。R1 亦为限流电 阻 ,按如下估算 : V CC - U CES U F R1 = IF ( 3) 式中 : U CES 为三极管饱和压降 。 2　 输出电路设计 2. 1 　 小功率输出电路接口设计 后者只需较小的输入电流 。因此 , C TR 参数与晶 体管的 h FE 有某种相似之处 。 电路如图 2 所示 。 1　 输入电路设计 常用光电耦合数字信号输入电路如图 1 所示 。 图1　 常用光耦合器数字信号输入电路 光电器件或光电输入电路以及其他电路的输 出信号比较强 ,即光耦合器的输入信号 较强的情况 下 ,可直接驱动光耦合器的发光二极管 。电路如图 ( 1 ( a) 、b) 所示 。 其中图 1 ( a) 为高电平驱动 ,输入高 电平时 L ED 正偏导通 , 光耦合器输出端有信号 输 出 。图 1 ( b ) 为低电平驱动电路 , 当输入信号为低 电平时 L ED 正偏导通 , 光 耦合器输出端有信号输 ( 出 。如图 1 ( a ) 、b ) 中 R1 为限流电阻 。图 1 ( a ) 电 图2　 常用光耦合器输出电路 其中图 2 ( a) 为同相输出形式 ,即输入电平与输 出电平极性相同 。当 U i 为高 电平时 L ED 正向导 通发光 ,光敏元件受到光照后产生导通 ,在 R2 上形 成压降 ,Uo 为高电平 1” “ 。电阻 R2 的由如下估算 : ( 4) IL = C T R I F 路中 , R1 以如下估算 : R1 = UH - UF IF ( 1) 77 2008. 10 V PP - U CE ( sat) IL Test Tool s & Solutio n R2 = ( 5) 式中 : U CE( sat) 为光耦中光敏三极管饱和压降 。 图 2 ( b ) 为反相输入形式 , 即 U i 为高电平 1 ” “ 时 ,U o 为低电平 0 ” 而 U i 为低电平 0 ” , U o 为 “ ; “ 时 ( 高电平 1” “ 。电阻 R2 的由式 ( 4) 、5) 估算 。 ( 在这里应该注意 : 在图 2 ( a ) 、b ) 两种情况中 , ( 光耦集电极电阻按照式 ( 4 ) 、5) 确定 。如 果其集电 极负载电阻能太小 , 输出电压的摆幅就受到了限 制 。如果负载电阻又不宜过 大 ,光电耦合器的频率 特性就越差 ,传输延时也越长 。 图 2 ( c) 为电路放大输出形 式 ,可以提高电路稳 定性和可靠性 ,图中接法为同相输出形式 。 2. 2 　 功率接口的 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 10 μs 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 。 图 3 是采用光电耦合器隔离驱动直流负载的 典型电 路 。因 为普 通光电 耦合 器的 电 流 传 输 比 CR T 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 UL N2800 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 500 mA 和 50 V 。 图3　 加三极管放大驱动 2. 3 　 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 。我们介 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 。 4 　 图 光敏三极管内部分布电容 图 5 中用两只光电耦合器 T1 , T2 接成互补推 挽式电路 ,可以提高光耦的开关速 度 。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。 78 测试工具与解决方案
　 图 两只光电耦合器构成的推挽式电路 图7　 流量检测通道电原理图 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 ,4 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 。 该电路元件由下列公式估算 。 ( 1) R1 、 2 估算 : R UBE = R2 U iH R1 + R2 ( 6) 式中 : U BE 为驱动晶体管饱和导通时发射结电压硅 管取 0. 7 V ,锗管取 0. 2～ 0. 3 V ; U i H 为输入脉冲幅 值。 ( 2) R3 的估算 : IF = V CC - U CES 1 - U F ; I FM R3 ( 7) 图6　 通过增加光敏基极正反馈来提 　　　　 高 光耦的开关速度 3　 光耦合器在数字电路中应用示例 图 7 为某能源自动检测系统中液体流量检测 通道电路图 。U i 是幅度为几伏的脉 冲信号 。它是 由系统中涡轮流量变换器 、 磁阻传感器经前置放大 后输出的 ( 图中未 画出 ) 。U i 的频率与涡轮转速亦 即和流量成正比 。图 7 中 ,光耦为有基极引出线的 4N35 型光耦 ,它不仅能有效抑制工业现场干扰 , 提 高测试通道信噪比 ,还能完成变换 器与数字信号间 信号电平转换 。4N35 的主要参数 : 图中 R1 、 2 组 R 成偏置电路 , 使 V 1 输入为高电平时可靠导通 ; R3 为光耦 L ED 限流电阻 ; R4 为光敏三极管集电 极偏 置电阻 。当光敏三极管截止时 , 光耦输出高电平 , 当光敏二极管导通时光耦输出低电平 。后面接两 个施密特触发器进行整形 ,将输入与流量成正比的 的脉冲变成沿口 陡直的矩形窄脉冲 。 式中 : U CES1 为 三 极 管 V 1 的 饱 和 压 降 , 硅 管 取 0. 3 V 。 有的手册 中不给出 I F 而给出 I FM , 选择时 I F 应小于 I FM , I F 一般取几 mA 到几十 mA 。 ( 3) R4 的估算 : 光敏三极管电流 IL 和电阻 R4 ( 可由式 ( 4) 、5) 估算 。 本 例中取 U CE( sat) 为 0. 3 V 。 ( 4) 三极管的选用 : 三极管 V 1 应选开关管或 β 高频管 。 值不能选太小 ,一般取几十倍 。 ( 5) 耦合电容选择 : 耦合电容 C 取值和 输入信 号频率 f 有关 。 C ≥( 3 - 5) 1 1 ( 8) ≈ ( 3 - 10) π π 2 f ( R1 + rbel ) 2 f R1 式中 : rbe1 为三极管 V 1 的基极2发射极微变等效电路 。 4　 结束语 本文简单介绍了光电耦合器的性能特点 ,说明 了输入信号较弱和较强时输入电路的 设计以及参 数计算 , 也介绍了满足不同负载的输出电路的设 计 ,并提出了提高功率接 口的抗干扰能力及提高光 ( 下转第 83 页) 79 测试工具与解决方案 合布线设计方案 , 基本达到了设计要求 , 并能有效 地保证该 办公楼信息系统的正常运行 。可以说还 是一个实用性较强的方案 。 2008. 10 参考文献 [1]　 刘国林 . 综合布线 [ M ]. 北京 :机械工业出版社 ,2000. [2]　 郝文化 . 网络综合布线设计与案例 [ M ] . 北京 : 电子 3　 结束语 综合布线系统 工程 是一 项 庞 大 、 杂 、 扯 复 牵 面广 、 涉及部门多的综合 性项目 , 做好这项工作 不但要有良好的设计思路和高水平的施工队伍 , 还须要各部门 、 各技术工种协同完 成 , 必 须扎 扎 实实 、 脚踏实地地做好这项工作 , 才 能保 证计 算 机网络系统的安全稳 定地 运行 。由 于布 线系 统 发展迅速 ,6 类将取代 5 类而成为综合布线的主 导。 工业出版社 ,2004. [3]　 吴成东 . 智能建筑综合布线系统设计与实践 [ M ]. 北 京 : 清华大学出版社 ,1999. [4]　 宋建锋 . 综合布线工程实用设计施工手册 [ M ] . 北 京 : 中国建筑工业出版社 ,1997. 　　 作者简介 武智梅 ,女 ,兰州石化公司工程 公司设计分公司电控室 设计人员 ,主要研究方向为电信及电气工程设计 。 地址 : 兰州 市西固区兰州石化工程公司设计分公司 ,mail : sammi_honey @163. co m ( 上接第 57 页) [5]　 舒志兵 , 袁佑新 , 周玮 , 等 . 现场总线运动控制系统 [ M ]. 北京 : 电 子工业出版社 ,2007. [6]　 胡振华 . V HDL 与 FP GA 设计 [ M ] . 北京 : 中国铁道 计技巧 [ M ] . 北京 : 电子工业出版社 ,2004. 　　 作者简介 陈飞 , ( 19672) ,男 ,讲师 ,硕士研究生 ,主 要从事数字信号处理 、 网络通信 、 现场总线技 术应用 的研究与教学 。 地址 : 桂林工学院电子与计算机系 ,541004 出版社 ,2003. [7]　 王诚 ,薛小刚 ,钟信潮 . FP GA/ CPLD 设计工具2Xilinx ISE 使用详解 [ M ] . 北京 : 人民邮电出版社 ,2005. [8]　 孙航 . Xilinx 可编程逻辑器件高级应用与 设 ( 上接第 79 页) 耦的开关速度的方法 ,克服了光耦的输出功率不足 的缺点和由于光耦自身存在的分 布电容 ,对传输速 度造成影响 。给出了光耦合器在数字电路中应用 示例 。 　　 参考 文献 [1]　 赵负图 . 国内外传感器手册 [ M ] . 沈阳 : 辽宁科学技[3]　 丁镇生 . 传感器及传感技术应用 [ M ] . 北京 : 电子工 业出版社 ,2000. [4]　 康华光 、 陈大钦 . 电子技术基础模拟部分 [ M ] . 北京 : 高等教育出版社 ,1999. [5]　 李科杰. 新编传感器技术手册 [ M]. 北京 :国防工业出版 社 ,2002. [6]　 谢自美. 电子线路设计、 实验、 [M]. 武汉 :华中科大出 测试 术出版社 ,1998. [2]　 杨崇志 . 特殊新型电子元器件手册 [ M ] . 沈阳 : 辽宁 版社 ,2001. [7]　 刘笃仁 ,韩保君 . 传感器原理及应用技术 [ M ] . 西安 : 科学技术出版社 ,2003. 西安电子科技大学出版社 ,
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