光電隔離抗干擾技術(shù)及應用

1 光電耦合器件簡(jiǎn)介

光電耦合器件是把發(fā)光器件(如發(fā)光二極管)和光敏器件(如光敏三極管)組裝在一起，通過(guò)光線(xiàn)實(shí)現耦合構成電一光和光一電的轉換器件。圖1所示為常用的三極管型光電耦合器原理圖。

當電信號送人光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)光二極管通過(guò)電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE導通；當輸入端無(wú)信號，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止，CE不通。對于數字量，當輸人為低電子"0"時(shí)，光敏三極管截止，輸出為高電平"1"；當輸人為高電平"1"時(shí)，光敏三極管飽和導通，輸出為低電平"0"。若基極有引出線(xiàn)則可滿(mǎn)足溫度補償、檢測調制要求。這種光耦合器性能較好，價(jià)格便宜，因而應用廣泛。

光電耦合器之所以在傳輸信號的同時(shí)能有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，使通道上的信號噪聲比大為提高，主要有以下幾方面的原因： (1)光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105～106Ω。據分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電壓會(huì )很小，只能形成很微弱的電流，由于沒(méi)有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉了。

(2)光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒(méi)有電氣聯(lián)系，也沒(méi)有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過(guò)光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。

(3)光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當外部設備出現故障，甚至輸入信號線(xiàn)短接時(shí)，也不會(huì )損壞儀表。因為光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。

(4)光電耦合器的響應速度極快，其響應延遲時(shí)間只有10μs左右，適于對響應速度要求很高的場(chǎng)合。

2 光電隔離技術(shù)的應用

2．1 微機接口電路中的光電隔離

微機有多個(gè)輸入端口，接收來(lái)自遠處現場(chǎng)設備傳來(lái)的狀態(tài)信號，微機對這些信號處理后，輸出各種控制信號去執行相應的操作。在現場(chǎng)環(huán)境較惡劣時(shí)，會(huì )存在較大的噪聲干擾，若這些干擾隨輸入信號一起進(jìn)入微機系統，會(huì )使控制準確性降低，產(chǎn)生誤動(dòng)作。因而，可在微機的輸入和輸出端，用光耦作接口，對信號及噪聲進(jìn)行隔離。典型的光電耦合電路如圖2所示。

該電路主要應用在"A／D轉換器"的數字信號輸出，及由CPU發(fā)出的對前向通道的控制信號與模擬電路的接口處，從而實(shí)現在不同系統間信號通路相聯(lián)的同時(shí)，在電氣通路上相互隔離，并在此基礎上實(shí)現將模擬電路和數宇電路相互隔離，起到抑制交叉串擾的作用。

對于線(xiàn)性模擬電路通道，要求光電耦合器必須具有能夠進(jìn)行線(xiàn)性變換和傳輸的特性，或選擇對管，采用互補電路以提高線(xiàn)性度，或用V／P變換后再用數字光耦進(jìn)行隔離。

2．2 功率驅動(dòng)電路中的光電隔離

在微機控制系統中，大量應用的是開(kāi)關(guān)量的控制，這些開(kāi)關(guān)量一般經(jīng)過(guò)微機的I／O輸出，而I／O的驅動(dòng)能力有限，一般不足以驅動(dòng)一些點(diǎn)磁執行器件，需加接驅動(dòng)接口電路，為避免微機受到干擾，須采取隔離措施。如晶閘管所在的主電路一般是交流強電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機直接相連，可應用光耦合器將微機控制信號與晶閘管觸發(fā)電路進(jìn)行隔離電路實(shí)例如圖3所示。

在馬達控制電路中，也可采用光耦來(lái)把控制電路和馬達高壓電路隔離開(kāi)。馬達靠MOSFET或IGBT功率管提供驅動(dòng)電流，功率管的開(kāi)關(guān)控制信號和大功率管之間需隔離放大級。在光耦隔離級一放大器級一大功率管的連接形式中，要求光耦具有高輸出電壓、高速和高共模抑制。

2．3 遠距離的隔離傳送

在計算機應用系統中，由于測控系統與被測和被控設備之間不可避免地要進(jìn)行長(cháng)線(xiàn)傳輸，信號在傳輸過(guò)程中很易受到干擾，導致傳輸信號發(fā)生畸變或失真，另外，在通過(guò)較長(cháng)電纜連接的相距較遠的設備之間，常因設備間的地線(xiàn)電位差，導致地環(huán)路電流，對電路形成差模干擾電壓。為確保長(cháng)線(xiàn)傳輸的可靠性，可采用光電耦合隔離措施，將2個(gè)電路的電氣連接隔開(kāi)，切斷可能形成的環(huán)路，使他們相互獨立，提高電路系統的抗干擾性能。若傳輸線(xiàn)較長(cháng)，現場(chǎng)干擾嚴重，可通過(guò)兩級光電耦合器將長(cháng)線(xiàn)完全"浮置"起來(lái)，如圖4所示。

長(cháng)線(xiàn)的"浮置"去掉了長(cháng)線(xiàn)兩端間的公共地線(xiàn)，不但有效消除了各電路的電流經(jīng)公共地線(xiàn)時(shí)所產(chǎn)生噪聲電壓形成相互竄擾，而且也有效地解決了長(cháng)線(xiàn)驅動(dòng)和阻抗匹配問(wèn)題；同時(shí)，受控設備短路時(shí)，還能保護系統不受損害。

2．4 過(guò)零檢測電路中的光電隔離

零交叉，即過(guò)零檢測，指交流電壓過(guò)零點(diǎn)被自動(dòng)檢測進(jìn)而產(chǎn)生驅動(dòng)信號，使電子開(kāi)關(guān)在此時(shí)刻開(kāi)始開(kāi)通?，F代的零交叉技術(shù)已與光電耦合技術(shù)相結合。圖5為一種單片機數控交流調壓器中可使用的過(guò)零檢測電路。

220V交流電壓經(jīng)電阻R1限流后直接加到2個(gè)反向并聯(lián)的光電耦合器GD1，GD2的輸入端。在交流電源的正負半周，GD1和GD2分別導通，U0輸出低電平，在交流電源正弦波過(guò)零的瞬間，GD1和GD2均不導通，U0輸出高電平。該脈沖信號經(jīng)非門(mén)整形后作為單片機的中斷請求信號和可控硅的過(guò)零同步信號。

3 注意事項

(1) 在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源，若兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。

(2) 當用光電耦合起來(lái)隔離輸入輸出通道室，必須對所有的信號(包括數字量信號、控制量信號、狀態(tài)信號)全部隔離，使得被隔離的兩邊沒(méi)有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒(méi)有意義的。