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文檔簡(jiǎn)介
、引言 光電耦合器(以下簡(jiǎn)稱光耦)是一種由發(fā)光器件和光敏器件組成的光電器件。它能實(shí)現(xiàn)電光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換,并且輸入信號(hào)與輸出信號(hào)隔離。目前絕大多數(shù)的光耦輸入采用砷化鎵紅外發(fā)光二極管,輸出采用硅光電二極管、硅光電三極管及光觸發(fā)可控硅。因?yàn)榉逯挡ㄩL(zhǎng)900940nm的砷化鎵紅外發(fā)光二極管能與硅光電器件的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)相吻合,可獲得較高的信號(hào)傳輸效率。 并行接口又簡(jiǎn)稱為“并口”,是一種增強(qiáng)了的雙向并行傳輸接口。所謂“并口”,是指8位數(shù)據(jù)同時(shí)通過(guò)并行線傳送,數(shù)據(jù)傳送速度大大提高,但并行傳送的線路長(zhǎng)度受到限制。所謂“長(zhǎng)線”是相對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸速度而言。例如,數(shù)據(jù)傳輸速率為9600bs時(shí),20m的電纜即可認(rèn)為是長(zhǎng)線。傳輸線長(zhǎng)度增加,干擾就會(huì)增加,容易出錯(cuò),使信號(hào)無(wú)法遠(yuǎn)距離傳輸。對(duì)傳輸線進(jìn)行“隔離”和“浮地”處理,是解決上述問(wèn)題的較好方法。采用光電隔離電路,可去掉數(shù)據(jù)交換的兩設(shè)備之間的公共地線,使兩設(shè)備電氣隔離翻。同時(shí),在電光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換中,就光電耦合器件而言,只要其輸入端有一定的電流,其輸出端就能輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。因此,邏輯電平的信號(hào)傳遞變成了固定的電流環(huán)中電流有否的狀態(tài)傳遞。適當(dāng)增大電流(低阻傳輸),使夾雜在信號(hào)中的電氣噪聲被完全限制在所選擇的開(kāi)關(guān)電流幅度內(nèi),即相對(duì)弱小的干擾信號(hào)電流無(wú)法改變有用信號(hào)電流的有無(wú)狀態(tài),就可有效地抑制干擾,提高信息傳輸?shù)目煽啃?。并增加?shù)據(jù)的傳輸距離。光耦合器一般由光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大組成。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED),使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光。被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流,再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。就完成了電一光一電的轉(zhuǎn)換,從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離,電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn),因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸人端屬于電流型工作的低阻元件,因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以,它在長(zhǎng)線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件,可大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。 2、光電耦合器的性能特點(diǎn) 光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號(hào),輸人端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離,抗干擾能力強(qiáng),使用壽命長(zhǎng),傳輸效率高。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、開(kāi)關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在開(kāi)關(guān)電源中,利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路,通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比,達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。 光耦合器的技術(shù)參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級(jí)與輸出級(jí)之間的絕緣電阻、集電極一發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極一發(fā)射極飽和壓降VCE(sat),此外,在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)問(wèn)、延遲時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)。電流傳輸比CTR是光耦合器的重要參數(shù),通常用直流電流傳輸比表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí),其等于直流輸出電流IC與直流輸入電流,IF的百分比:CTR=ICIF100。 采用一只光敏三極管的光耦合器,CTR的范圍為20300(如4N35),而PC817為80160,達(dá)林頓型光耦合器(如430)可達(dá)1005000。這表明欲獲得同樣的輸出電流,后者只需較小的輸入電流。 3、光電耦合器的選取原則 在設(shè)計(jì)光耦光電隔離電路時(shí)必須正確選擇光耦合器的型號(hào)及參數(shù),選取原則如下: (1)由于光電耦合器為信號(hào)單向傳輸器件,而電路中數(shù)據(jù)的傳輸是雙向的,電路板的尺寸要求一定,結(jié)合電路設(shè)計(jì)的實(shí)際要求,就要選擇單芯片集成多路光耦的器件; (2)光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是不小于500。因?yàn)楫?dāng)CTR5.0mA),才能保證信號(hào)在長(zhǎng)線傳輸中不發(fā)生錯(cuò)誤,這會(huì)增大光耦的功耗; (3)光電耦合器的傳輸速度也是選取光耦必須遵循的原則之一,光耦開(kāi)關(guān)速度過(guò)慢,無(wú)法對(duì)輸入電平做出正確反應(yīng),會(huì)影響電路的正常工作。 (4)推薦采用線性光耦。其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。設(shè)計(jì)中由于電路輸入輸出均是一種高低電平信號(hào),故此,電路工作在非線性狀態(tài)。而在線性應(yīng)用中,因?yàn)樾盘?hào)不失真的傳輸,所以,應(yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)工作的要求,設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn),使電路工作在線性狀態(tài)。 通常情況下,單芯片集成多路光耦的器件速度都比較慢,而速度快的器件大多都是單路的,大量的隔離器件需要占用很大布板面積,也使得設(shè)計(jì)的成本大大增加。在設(shè)計(jì)中,受電路板尺寸、傳輸速度、設(shè)計(jì)成本等因素限制,無(wú)法選用速度上非常占優(yōu)勢(shì)的單路光耦器件,在此選用TOSHIBA公司的TLP521-4。 4、TLP521-4簡(jiǎn)介 光電隔離模塊TLP521-4(GB)是一款具有完整基極一發(fā)射極的性能優(yōu)良的固定延時(shí)光電耦合器,它具有最優(yōu)轉(zhuǎn)換速度、高溫性能等特點(diǎn)。該器件主要特性:電流轉(zhuǎn)換率為100500;隔離電壓為2500Vrms(min);發(fā)射一接收電壓為55V(min);泄漏電流為lOA(max)(Ta=85);最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為42s。 TLP52l-4(GB)的典型電路如圖1所示,具體的轉(zhuǎn)換時(shí)間參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知,TLP521_4(GB)最大傳輸延遲時(shí)間為42s,系統(tǒng)需要在1ms內(nèi)完成8個(gè)字節(jié)的讀或?qū)懀畲髠鬏斞舆t時(shí)間已滿足電路傳輸延遲時(shí)間的水平,因而在傳輸速度上完全能夠滿足長(zhǎng)線傳輸?shù)囊?。通過(guò)對(duì)其輸入端的控制,可使光耦按工作需要打開(kāi)或關(guān)閉。當(dāng)在輸入控制端加高電平時(shí),光耦正常工作。將輸入端信號(hào)耦合到輸出端,而當(dāng)在輸入控制端加低電平時(shí),其輸出端集電極開(kāi)路三極管截止,對(duì)外呈高阻態(tài)。 5、電路設(shè)計(jì) 在長(zhǎng)線傳輸中,正是因?yàn)榈鼐€的交流阻抗特性,使得地線成了電路中事實(shí)上的最大噪聲源。地線造成干擾的主要原因是地線存在阻抗,當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí),會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓,這就是地線噪聲。在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下,會(huì)產(chǎn)生地線環(huán)路電流,形成地環(huán)路干擾。南于發(fā)送和接收設(shè)備共用一段地線,會(huì)形成公共阻抗耦合。采用光電隔離器TLP521-4對(duì)發(fā)送和接收設(shè)備進(jìn)行電氣隔離,對(duì)于減小交流阻抗的作用十分明顯,進(jìn)而增大傳輸電流,有效地抑制地線噪聲;同時(shí)由于74LS244N的應(yīng)用。總線驅(qū)動(dòng)能力得到保障。圖2為光耦發(fā)送和接收電路示意圖。圖2中,上半部?jī)晒怦钭宰笙蛴覀鬏斝盘?hào),下半部?jī)晒怦钭杂蚁蜃髠鬏斝盘?hào),左端74LS244N通過(guò)靜態(tài)存儲(chǔ)器IDT7132與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,右端通過(guò)8255與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 調(diào)試中,輸入周期為100s,占空比為12的+5V方波,對(duì)一路光耦的輸入端波形和經(jīng)過(guò)20m長(zhǎng)線后接收光耦的輸出端波形以及經(jīng)過(guò)74LS244整形后的波形進(jìn)行記錄。記錄結(jié)果如圖3所示。 從輸入輸出波形的比較來(lái)看,電路能對(duì)輸入波形中疊加的噪聲干擾具有明顯的抑制作用,使輸出波形變得光滑且穩(wěn)定,提高了輸出信噪比。雖然由于光耦的轉(zhuǎn)換時(shí)間問(wèn)題,波形的占空比發(fā)生了微量變換,但是由于電路輸入輸出均是一種高
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