中心論題:
- 光電耦合器非線性的克服
- 提高光電耦合器的傳輸速度
- 光耦的功率接口設(shè)計(jì)
解決方案:
- 利用2個(gè)具有相同非線性傳輸特性的光電耦合器以及2個(gè)射極跟隨器
- 采用VFC(電壓頻率轉(zhuǎn)換)方式或選擇線性光耦進(jìn)行設(shè)計(jì)
- 用2只光電耦合器接成互補(bǔ)推挽式電路
- 在光敏三極管的光敏基極上增加正反饋電路
- 光電可控硅驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
- 采用光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器
光電耦合器(簡稱光耦),是一種把發(fā)光元件和光敏元件封裝在同一殼體內(nèi),中間通過電→光→電的轉(zhuǎn)換來傳輸電信號的半導(dǎo)體光電子器件。光電耦合器可根據(jù)不同要求,由不同種類的發(fā)光元件和光敏元件組合成許多系列的光電耦合器。目前應(yīng)用最廣的是發(fā)光二極管和光敏三極管組合成的光電耦合器,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1a所示。
光耦以光信號為媒介來實(shí)現(xiàn)電信號的耦合與傳遞,輸入與輸出在電氣上完全隔離,具有抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)。對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: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;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;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。
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,如圖1b所示;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,如圖1c所示。由圖可見,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。
圖1 光電耦合器結(jié)構(gòu)及輸入、輸出特性
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,如圖2所示。如果T1和T2是同型號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完全一致的,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電流傳輸特性的對稱性,利用反饋原理,可以很好的補(bǔ)償他們原來的非線性。
圖2 光電耦合線性電路
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,如圖3所示。現(xiàn)場變送器輸出模擬量信號(假設(shè)電壓信號),電壓頻率轉(zhuǎn)換器將變送器送來的電壓信號轉(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。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、簡單易行的模擬量傳輸方式。
圖3 VFC方式傳送信號
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)簡單;隨著器件價(jià)格的下降,使用線性光耦將是趨勢。
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)最大數(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,如圖4所示。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。
圖4 光敏三極管內(nèi)部分布電容
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,如圖5所示。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。
圖5 2只光電耦合器構(gòu)成的推挽式電路
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。如圖6所示電路,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)電路可以將光耦的最大數(shù)據(jù)傳輸速率提高10倍左右。
圖6 通過增加光敏基極正反饋來提高光耦的開關(guān)速度
光耦的功率接口設(shè)計(jì)
微機(jī)測控系統(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,提高功率接口的抗干擾能力,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,很多場合下,我們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;對于響應(yīng)時(shí)間要求很快的控制系統(tǒng),我們采用光電耦合器進(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)到簡化電路設(shè)計(jì),降低散熱的目的。
圖7是采用光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載的典型電路。因?yàn)槠胀ü怆婑詈掀鞯碾娏鱾鬏敱菴RT非常小,所以一般要用三極管對輸出電流進(jìn)行放大,也可以直接采用達(dá)林頓型光電耦合器(見圖8)來代替普通光耦T1。例如東芝公司的4N30。對于輸出功率要求更高的場合,可以選用達(dá)林頓晶體管來替代普通三極管,例如ULN2800高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,它的輸出電流和輸出電壓分別達(dá)到500mA和50V。
圖7 光電隔離,加三極管放大驅(qū)動(dòng)
圖8 達(dá)林頓型光電耦合器
對于交流負(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),如圖9所示。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí),可以外接功率雙向可控硅,如圖10所示。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。
圖9 小功率交流負(fù)載
圖10 大功率交流負(fù)載
當(dāng)需要對輸出功率進(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。圖11為交流可控驅(qū)動(dòng)電路,來自微機(jī)的控制信號 經(jīng)過光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器T1隔離,控制雙向可控硅T2的導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)交流負(fù)載的功率控制。
圖11 交流可控電路
圖12為交流電源輸出直流可控電路。來自微機(jī)的控制信號 經(jīng)過光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器隔離,控制可控硅橋式整流電路導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)交流一直流的功率控制。此電路已經(jīng)應(yīng)用在我們實(shí)驗(yàn)室研制的新型電機(jī)控制設(shè)備中,效果良好。
圖12 交-直流可控