光電耦合器的幾個實用技巧
光耦以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合與傳遞,輸入與輸出在電氣上完全隔離,具有抗干擾性能強的特 點。對于既包括弱電控制部分,又包括強電控制部分的工業(yè)應用測控系統(tǒng),采用光耦隔離可以很好地實現(xiàn)弱電和強電的隔離,達到抗干擾目的。但是,使用光耦隔離需要考慮以下幾個問題:
?、俟怦钪苯佑糜诟綦x傳輸模擬量時,要考慮光耦的非線性問題;
?、诠怦罡綦x傳輸數(shù)字量時,要考慮光耦的響應速度問題;
?、廴绻敵鲇泄β室蟮脑?,還得考慮光耦的功率接口設計問題。
1: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;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。由此可見,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精度較差。
解決方法之一,利用2個具有相同非線性傳輸特性的光電耦合器,T1和T2,以及2個射極跟隨器A1和A2組成。如果T1和T2是同型號同批次的光電耦合器,可以認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,可以很好的補償他們原來的非線性。
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?,F(xiàn)場變送器輸出模擬量信號(假設電壓信號),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。在主機側(cè),通過一個頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將脈沖序列還原成模擬信號。此時,相當于光耦隔離的是數(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。
當然,也可以選擇線性光耦進行設計,如高速線性光耦6N135/6N136。線性光耦一般價格比普通光耦高,但是使用方便,設計簡單;隨著器件價格的下降,使用線性光耦將是趨勢。
2:提高光電耦合器的傳輸速度
當采用光耦隔離數(shù)字信號進行控制系統(tǒng)設計時,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,同時不降低通訊波特率,我們不得不采用高速光耦來實現(xiàn)模塊之間的相互隔離。常用的高速光耦有6N135/6N136,6N137/6N138。但是,高速光耦價格比較高,導致設計成本提高。這里介紹兩種方法來提高普通光耦的開關速度。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。由于光耦的電流傳輸比較低,其集電極負載電阻不能太小,否則輸出電壓的擺幅就受到了限制。但是,負載電阻又不宜過大,負載電阻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,傳輸延時也越長。
用2只光電耦合器T1,T2接成互補推挽式電路,可以提高光耦的開關速度。當脈沖上升為“1”電平時,T1截止,T2導通。相反,當脈沖為“0”電平時,T1導通,T2截止。這種互補推挽式電路的頻率特性大大優(yōu)于單個光電耦合器的頻率特性。
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速度。通過增加一個晶體管,四個電阻和一個電容,實驗證明,這個電路可以將光耦的最大數(shù)據(jù)傳輸速率提高10倍左右。
3:光耦的功率接口設計
微機測控系統(tǒng)中,經(jīng)常要用到功率接口電路,以便于驅(qū)動各種類型的負載,如直流伺服電機、步進電機、各種電磁閥等。這種接口電路一般具有帶負載能力強、輸出電流大、工作電壓高的特點。工程實踐表明,提高功率接口的抗干擾能力,是保證工業(yè)自動化裝置正常運行的關鍵。
就抗干擾設計而言,很多場合下,既能采用光電耦合器隔離驅(qū)動,也能采用繼電器隔離驅(qū)動。一般情況下,對于那些響應速度要求不很高的啟停操作,我們采用繼電器隔離來設計功率接口;對于響應時間要求很快的控制系統(tǒng),采用光電耦合器進行功率接口電路設計。這是因為繼電器的響應延遲時間需幾十ms,而光電耦合器的延遲時間通常都在10us之內(nèi),同時采用新型、集成度高、使用方便的光電耦合器進行功率驅(qū)動接口電路設計,可以達到簡化電路設計,降低散熱的目的。
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