光耦的特性及应用技巧

本文从光电耦合器的基本结构、性能特点出发，针对实际应用中可能遇到的非线性、响应速度、功率接口设计三个方面，提出了相应的几种电路设计方案，并介绍了各种不同类型的光电耦合器及其应用实例。
根据本文的叙述可知，如果业余爱好者把光耦用于音频电路，虽然谈不上“高保真”，但是从实际应该的角度来说是完全可以的。
    光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。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→光→电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）、耐压高(2.5KV左右)，故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外，因其输入电阻小（约10Ω），对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。 
    从光耦合器的转移特性与温度的关系可以看出，若使光耦合器构成的模拟隔离电路稳定实用，则应尽量消除暗电流（ICBO）的影响，以提高线性度，做到静态工作点IFQ随温度的变化而自动调整，以使输出信号保持对称性，使输入信号的动态范围随温度变化而自动变化，以抵消β值随温度变化的影响，保证电路工作状态的稳定性。
   光电耦合器可根据不同要求，由不同种类的发光元件和光敏元件组合成许多系列的光电耦合器。目前应用最广的是发光二极管和光敏三极管组合成的光电耦合器，其内部结构如图1a所示。
    光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。对于既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分的工业应用测控系统，采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。但是，使用光耦隔离需要考虑以下几个问题：
① 光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问题；
② 光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题；
③ 如果输出有功率要求的话，还得考虑光耦的功率接口设计问题。 
1 光电耦合器非线性的克服
    光电耦合器的输入端是发光二极管，因此，它的输入特性可用发光二极管的伏安特性来表示，如图1b所示；输出端是光敏三极管，因此光敏三极管的伏安特性就是它的输出特性，如图1c所示。由图可见，光电耦合器存在着非线性工作区域，直接用来传输模拟量时精度较差。
 
    解决方法之一，利用2个具有相同非线性传输特性的光电耦合器，T1和T2，以及2个射极跟随器A1和A2组成，如图2所示。如果T1和T2是同型号同批次的光电耦合器，可以认为他们的非线性传输特性是完全一致的，即K1(I1)=K2(I1)，则放大器的电压增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=(R3/R2)[K1(I1)/K2(I1)]=R3/R2。由此可见，利用T1和T2电流传输特性的对称性，利用反馈原理，可以很好的补偿他们原来的非线性。
 
    另一种模拟量传输的解决方法，就是采用VFC(电压频率转换)方式，如图3所示。现场变送器输出模拟量信号(假设电压信号)，电压频率转换器将变送器送来的电压信号转换成脉冲序列，通过光耦隔离后送出。在主机侧，通过一个频率电压转换电路将脉冲序列还原成模拟信号。此时，相当于光耦隔离的是数字量，可以消除光耦非线性的影响。这是一种有效、简单易行的模拟量传输方式。
 
    当然，也可以选择线性光耦进行设计，如精密线性光耦TIL300，高速线性光耦6N135/6N136。线性光耦一般价格比普通光耦高，但是使用方便，设计简单；随着器件价格的下降，使用线性光耦将是趋势。
2 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，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。
 
    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，如图5所示。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。如图6所示电路，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。
 
3 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，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。
    图7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CRT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(见图8)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ULN2800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500mA和50V。
 
    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，如图9所示。当负载电流较大时，可以外接功率双向可控硅，如图10所示。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，例如MOC3010。图11为交流可控驱动电路，来自微机的控制信号 经过光电双向可控硅驱动器T1隔离，控制双向可控硅T2的导通，实现交流负载的功率控制。
 
    图12为交流电源输出直流可控电路。来自微机的控制信号 经过光电双向可控硅驱动器隔离，控制可控硅桥式整流电路导通，实现交流一直流的功率控制。此电路已经应用在我们实验室研制的新型电机控制设备中，效果良好。
 

利用光耦实现模拟隔离放大电路的原理及设计

    本文提出了一种新的隔离放大器的设计方案，该方案结构简单，且选用通用器件，易于实现。通过将本电路与AD公司的AD210AN集成模拟隔离放大器进行实验对比。本隔离放大电路在带宽上要优于集成模拟隔离放大器。

隔离放大器按传输信号的类型。可以分为模拟隔离和开关隔离放大器。模拟隔离放大器的生产商和产品种类均较少，且产品价格比较昂贵。开关隔离放大器的生产商较多，产品种类也多，价格较低，相对便宜。高价位的模拟隔离放大器限制了其应用范围。而文献[2]中提到的双通道隔离放大器结构复杂。且对隔离间距有较高的要求，而文献[3]中所提到的光电耦合隔离放大器则对元器件参数有较高的要求。文献[4]中提到的隔离放大器对隔离器件间距也有特殊要求。

1 新型电路原理
    图1所示是笔者设计的隔离放大器的原理电路。本隔离放大电路主要由光电耦合器和运算放大器构成。光电耦合器选用普通光耦TLP521，运算放大器则选择通用运算放大器LF353。通过这两种普通器件的搭配.所得到的隔离放大器性能和专用模拟隔离放大器的性能相近。

    图1所示是放大器加普通光耦组成的隔离放大电路。本隔离放大电路由输入和隔离输出两部分构成，且两部分使用隔离的电源(Vcc1、Vee1和Vcc2、Vee2供电。输入部分由运放U1，电阻R1、R2、R3、R4、R5， 电容C1、C2， 光电耦合器OPT1、OPT2、OPT3、OPT4的发光二极管部分OPT1_A、OPT2_A、OPT3_A、OPT4_A和OPT1、OPT3的光敏三极管部分OPT1_B、OPT3_B组成，由正电源Vcc1和负电源Vee1供电。OPT1_A、OPT2_A和OPT3_A、OPT4_A的电流构成差动放大输入。R1和R2为运放的输入电阻，R3和R4可为四个光耦的发光二极管(LED)提供偏置和控制电流。运放U1和光耦OPT1、OPT3组成了一个射级跟随器，R5上的电压即为运放的输入电压。
 
    运放的带宽决定着构成隔离放大器的带宽。现有的集成模拟隔离放大器的带宽均在100 kHz以下，而常用运放的带宽是这个带宽的几倍到几十倍。因此，本设计选用一般的运放就可以满足输入部分的带宽要求。所以，输入级的运算放大器可选用普通运放(如LF353)。R7和C3用来滤波。    本电路的隔离输出部分由OPT2、OPT4的光敏三极管OPT2_B、OPT4_B、电位器W1和输出电阻R6组成。OPT2_B和OPT4_B为隔离输出，它的电路结构和输入部分的光敏三极管相似，用于为输出级提供电流。电位器W1用来调零。而两部分光耦的电流传输比有偏差时，就会造成光耦LED电流相等而输出级电流差不相同，从而使输出电压vo的零点产生漂移。因此，调节电位器W1可以消除这种由于光耦器件特性偏差所带来的零点漂移。R6为输出负载，它和电位器W1共同决定输出电压vo。由此可知，本设计选用普通光耦即可(如东芝公司的光电耦合器TLP521)。

2 AD210AN集成放大器
    AD210AN是AD公司的集成模拟隔离放大器芯片。在该隔离放大电路中，AD210的16、17两引脚连接在一起，可实现信号跟踪功能。18、19两引脚之间通过电阻Ra接信号源Vs，18脚和Vs共地。脚1和脚2为输出引脚，Rb为输出负载电阻(使用时可选Ra=Rb=1 kΩ)。该电路可实现1:1的隔离传输功能。

3 实验验证
    在对本电路进行测试中，选取Vcc1=Vcc2=12V，Vee1=Vee2=-12 V， R1=R2=18 kΩ， R3=R4=3.2kΩ，Rs=R6=5 kΩ，W1=100 kΩ，C1=C2=0.01 uF，运放使用LF353，光耦使用TLP521。
    AD210的测试电路如图2所示。在相同的测试条件为：给输入端加频率为0～10 kHz、峰-峰值为10 V的正弦信号，然后测试输出部分的输出波形。

 
图2 AD210测试原理图
    图3和图4分别为新电路和AD210的输入输出电压波形图。其中横轴为时间，纵轴为输出电压幅值。由实验可以看出，在输入频率为1 kHz时，本隔离电路和集成模拟隔离放大器AD210具有相同的线性度和相同的传输延时。但在高频端时，本电路的传输延时要远小于集成隔离放大电路的传输延时。由图3可知，在40kHz时，本电路的相位差约为14°。此时的输出电压和输入电压没有发生畸变，为线性传输。而集成模拟隔离放大器在10 kHz时的传输延时约为72°。可见，本隔离放大电路的传输带宽要优于集成模拟隔离放大器。

 
图3 本新型电路的输入输出电压波形(fin为40 kHz)

 
图4 AD210的输入输出电压波形(fin为10 kHz)
    表1为本隔离放大器和专用模拟隔离放大器AD210以及ISO124在性能上的比较。
 

    其中，隔离电压、隔离阻抗为光耦TLP521的给定参数；输入阻抗、电源电压、输入电压范围为运算放大器LF353的给定参数；单位增益带宽、输出电压范围为实际测量值。
    从表1可以看出，本隔离放大器在有些方面与集成模拟隔离放大器相同（如隔离电压、输入阻抗）。在小信号带宽方面和输出电压范围上要比集成隔离放大器略差。而当频率升高时，输出电压幅值增大则是需要进一步研究的问题。　

4 结束语
    本文提出了一种使用四光耦实现模拟隔离放大电路的新方案。该方案电路结构简单，易于实现，价格低廉。通过与集成模拟隔离放大器AD210的比较实验表明，本隔离放大器的性能优良，有很好的应用前景.