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隔离技术——光电耦合

发布时间: 2012-08-07 11:24:04     来源: EDA中国

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信号隔离的目的之一是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来,使测控装置与现场仅保持信号的联系,但不直接发生电联系。

一、电路中为什么要使用光耦器件?

电气隔离的要求。A与B电路之间,要进行信号的传输,但两电路之间由于供电级别过于悬殊,一路为数百伏,另一路为仅为几伏;两种差异巨大的供电系统,无法将电源共用;

A电路与强电有联系,人体接触有触电危险,需予以隔离。而B线路板为人体经常接触的部分,也不应该将危险高电压混入到一起。两者之间,既要完成信号传输,又必须进行电气隔离;

运放电路等高阻抗型器件的采用,和电路对模拟的微弱的电压信号的传输,使得对电路的抗干扰处理成为一件比较麻烦的事情——从各个途径混入的噪声干扰,有可能反客为主,将有用信号“淹没”掉;

除了考虑人体接触的安全,又必须考虑到电路器件的安全,当光电耦合器件输入侧受到强电压(场)冲击损坏时,因光耦的隔离作用,输出侧电路却能安全无恙。

以上四个方面的原因,促成了光耦器件的研制、开发和实际应用。光耦的基本作用,是将输入、输出侧电路进行有效的电气上的隔离;能以光形式传输信号;有较好的抗干扰效果;输出侧电路能在一定程度上得以避免强电压的引入和冲击。

常见的隔离方法有:光电隔离、变压器隔离、LEM电压电流模块等方法。变压器隔离应用于电路主电源与控制电路之间的隔离,但变压器体积大,不易安装。LEM电压电流模块是一种霍尔元件,精确性高,响应速度快,但成本较高。光耦的性价比较高,且使用简单,因此常用光耦来进行隔离。

光电耦合器件的输入端是发光二极管,输出管是光电三极管,输入和输出电器上完全隔离。光耦是电流驱动器件,输入阻抗很小,有很强的抗共模干扰能力。

二、光电耦合器件的一般属性:

1、结构特点:输入侧一般采用发光二极管,输出侧采用光敏晶体管、集成电路等多种形式,对信号实施电-光-电的转换与传输。

2、输入、输出侧之间有光的传输,而无电的直接联系。输入信号的有无和强弱控制了发光二极管的发光强度,而输出侧接受光信号,据感光强度,输出电压或电流信号。

3、输入、输出侧有较高的电气隔离度,隔离电压一般达2000V以上。能对交、直流信号进行传输,输出侧有一定的电流输出能力,有的可直接拖动小型继电器。特殊型光耦器件能对毫伏,甚至微伏级交、直流信号进行线性传输。

4、因光耦的结构特性,输入、输出侧需要相互隔离的独立供电电源,即需两路无“共地”点的供电电源。下述一、二类光耦输入侧由信号电压提供了输入电流通路,但实质上输入信号回路,也是有一个供电支路的;而线性光耦,则输入侧与输出侧一样,是直接接有两种相隔离的供电电源的。

光耦器件的输入特性与普通的二极管类似,不同之处在于(1)光耦的正向死区较大,一般为1V左右。(2)反向击穿电压较小,一般为6V左右。

输出端为光敏三极管,因此输出特性与普通三极管类似。

传输特性。光耦器件的传输特性一般用电流传输比来表示。由于电流传输比较小,一般用百分比来表示。

三、经常用到的光电耦合器件,有三种类型

1、一种为三极管型光电耦合器,如PC816、PC817、4N35等,常用于开关电源电路的输出电压采样和误差电压放大电路,也应用于变频器控制端子的数字信号输入回路。结构最为简单,输入侧由一只发光二极管,输出侧由一只光敏三极管构成,主要用于对开关量信号的隔离与传输;

2、第二种为集成电路型光电耦合器,如6N137、HCPL2601等,输入侧发光管采用了延迟效应低微的新型发光材料,输出侧为门电路和肖基特晶体管构成,使工作性能大为提高。其频率响应速度比三极管型光电耦合器大为提高,在变频器的故障检测电路和开关电源电路中也有应用;

3、第三种为线性光电耦合器,如A7840、HCNR200。结构与性能与前两种光耦器件大有不同。加入负反馈消除非线性。在电路中主要用于对mV级微弱的模拟信号进行线性传输,在变频器电路中,往往用于输出电流的采样与放大处理、主回路直流电压的采样与放大处理。

 

关键字 : 光电 隔离 耦合 技术 
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