中心議題：
- 光耦合器的性能特點(diǎn)
- 線(xiàn)性光耦合器的產(chǎn)品及選取原則
- 開(kāi)關(guān)電源中光電耦合器電路的設(shè)計(jì)
隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)和綠色電源的飛速發(fā)展，APFC技術(shù)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，電子式開(kāi)關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)成熟，而且有相當(dāng)多的控制方式。目前人們正在進(jìn)行數(shù)字式開(kāi)關(guān)電源的研究與開(kāi)發(fā)，已經(jīng)有數(shù)字式帶功率因數(shù)校正的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品上市。對(duì)于數(shù)字式開(kāi)關(guān)電源，隔離技術(shù)和抗干擾技術(shù)是至關(guān)重要的，隨著電子元器件的迅速發(fā)展，光電耦合器的線(xiàn)性度越來(lái)越高，光電耦合器是目前在單片機(jī)和開(kāi)關(guān)電源中用得最多隔離抗干擾器件。
光耦合器（optical coupler，英文縮寫(xiě)為OC）亦稱(chēng)光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)光器（紅外線(xiàn)發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線(xiàn)，受光器接受光線(xiàn)之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。通常的光電耦合器由于它的非線(xiàn)性，因此在模擬電路中的應(yīng)用只限于對(duì)較高頻率的小信號(hào)的隔離傳送。普通光耦合器只能傳輸數(shù)字（開(kāi)關(guān)）信號(hào)，不適合傳輸模擬信號(hào)。近年來(lái)問(wèn)世的線(xiàn)性光耦合器能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或模擬電流信號(hào)，使其應(yīng)用領(lǐng)域大為拓寬。
光耦合器的性能特點(diǎn)
光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號(hào)，輸入端與輸出端完全實(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。由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光；由于光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響；光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω）、隔離電容很?。s幾個(gè)pF）所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。線(xiàn)性方式工作的光電耦合器是在光電耦合器的輸入端加控制電壓，在輸出端會(huì)成比例地產(chǎn)生一個(gè)用于進(jìn)一步控制下一級(jí)的電路的電壓。線(xiàn)性光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，當(dāng)發(fā)光二極管接通而發(fā)光，光敏三級(jí)管導(dǎo)通，光電耦合器是電流驅(qū)動(dòng)型，需要足夠大的電流才能使發(fā)光二極管導(dǎo)通，如果輸入信號(hào)太小，發(fā)光二極管不會(huì)導(dǎo)通，其輸出信號(hào)將失真。在開(kāi)關(guān)電源，尤其是數(shù)字開(kāi)關(guān)電源中，利用線(xiàn)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-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-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)間、延遲時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)。
電流傳輸比是光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來(lái)表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí)，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。其公式為：
采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20%～300%（如4N35），而PC817則為80%～160%，達(dá)林頓型光耦合器（如4N30）可達(dá)100%～5000%。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此，CTR參數(shù)與晶體管的hFE有某種相似之處。線(xiàn)性光耦合器與普通光耦合器典型的CTR-IF特性曲線(xiàn)，分別如圖1中的虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)所示。
由圖1可見(jiàn)，普通光耦合器的CTR-IF特性曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性，在IF較小時(shí)的非線(xiàn)性失真尤為嚴(yán)重，因此它不適合傳輸模擬信號(hào)。線(xiàn)性光耦合器的CTR-IF特性曲線(xiàn)具有良好的線(xiàn)性度，特別是在傳輸小信號(hào)時(shí)，其交流電流傳輸比(ΔCTR＝ΔIC/ΔIF)很接近于直流電流傳輸比CTR值。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號(hào)，能使輸出與輸入之間呈線(xiàn)性關(guān)系。這是其重要特性。
使用光電耦合器主要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須遵循下列原則：所選用的光電耦合器件必須符合國(guó)內(nèi)和國(guó)際的有關(guān)隔離擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)；由英國(guó)埃索柯姆(Isocom)公司、美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N××系列(如4N25 、4N26、4N35)光耦合器，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用地十分普遍。鑒于此類(lèi)光耦合器呈現(xiàn)開(kāi)關(guān)特性，其線(xiàn)性度差，適宜傳輸數(shù)字信號(hào)(高、低電平)，可以用于單片機(jī)的輸出隔離；所選用的光耦器件必須具有較高的耦合系數(shù)。
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線(xiàn)性光耦合器的產(chǎn)品及選取原則
線(xiàn)性光耦合器的典型產(chǎn)品及主要參數(shù)見(jiàn)表1，這些光耦均以光敏三極管作為接收管。
在開(kāi)關(guān)電源的隔離中，以及設(shè)計(jì)光耦反饋式開(kāi)關(guān)電源時(shí)必須正確選擇線(xiàn)性光耦合器的型號(hào)及參數(shù)， 除了必須遵循普通光耦的選取原則外，還必須遵循下列原則：
1、光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%～200%。這是因?yàn)楫?dāng)CTR＜50%時(shí)，光耦中的LED就需要較大的工作電流(IF＞5.0mA)，才能正?？刂茊纹_(kāi)關(guān)電源IC的占空比，這會(huì)增大光耦的功耗。若CTR＞200%，在啟動(dòng)電路或者當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，有可能將單片開(kāi)關(guān)電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。
2、若用放大器電路去驅(qū)動(dòng)光電耦合器，必須精心設(shè)計(jì)，保證它能夠補(bǔ)償耦合器的溫度不穩(wěn)定性和漂移。
3、推薦采用線(xiàn)性光耦合器，其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線(xiàn)性調(diào)整。
上述使用的光電耦合器時(shí)工作在線(xiàn)性方式下，在光電耦合器的輸入端加控制電壓，在輸出端會(huì)成比例地產(chǎn)生一個(gè)用于進(jìn)一步控制下一級(jí)電路的電壓，是單片機(jī)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，對(duì)電源輸出起到穩(wěn)壓的作用。
開(kāi)關(guān)電源中光電耦合器電路的設(shè)計(jì)
在圖2的開(kāi)關(guān)電源中我們采用的電壓環(huán)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出，選用NEC公司的PS2501光電耦合器作為輸入采樣、反饋信號(hào)、輸出驅(qū)動(dòng)與單片機(jī)之間隔離器件，一方面光電耦合器可以起到隔離兩個(gè)系統(tǒng)地線(xiàn)的作用，使兩個(gè)系統(tǒng)的電源相互獨(dú)立，消除地電位不同所產(chǎn)生的影響。另一方面，光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)器件，可以形成電流環(huán)路的傳送形式，電流環(huán)路是低阻抗電路，對(duì)噪音的敏感度低，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，起到了電磁兼容和隔離抗干擾的作用，不會(huì)因?yàn)殡娐分械母哳l電流的電磁干擾對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生干擾，同時(shí)消除了電磁干擾而引起開(kāi)關(guān)管誤觸發(fā)造成的損壞，而且線(xiàn)性度也比較好。所以在圖2中，單片機(jī)與模擬電路分別使用相互獨(dú)立的電源，COM1與COM2是兩個(gè)不同的電源地，以消除模擬電路對(duì)單片機(jī)的干擾。
TL431是一個(gè)基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器電路，它可以作為低溫度系數(shù)的可編程參考放大器使用，允許灌入電流大100mA。在TL431內(nèi)部是一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓，因而它的參考端輸入電壓可由直流輸出電壓的分壓來(lái)提供，可使它呈現(xiàn)優(yōu)良的工作狀態(tài)。它具有很低的輸出噪聲和僅為50ppm/C的溫度系數(shù)。用來(lái)作參考基準(zhǔn)電源十分理想。在圖2中電阻R11和電容C6組成的阻容網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用電路中是必不可少的，它主要用于品率補(bǔ)償。
為了徹底阻斷干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)，不僅信號(hào)通路要隔離，而且輸入或輸出電路與系統(tǒng)的電源也要隔離，即這些電路分別使用相互獨(dú)立的隔離電源。對(duì)于共模干擾，采用隔離技術(shù)，即利用變壓器或線(xiàn)性光電耦合器，將輸入地與輸出地?cái)嚅_(kāi)，使干擾沒(méi)有回路而被抑制。在開(kāi)關(guān)電源中，光電耦合器是一個(gè)是非重要的外圍器件，設(shè)計(jì)者可以充分的利用它的輸入輸出隔離作用對(duì)單片機(jī)進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，并對(duì)變換器進(jìn)行閉環(huán)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。
