光電隔離電路設(shè)計(jì)方案（一）

光耦亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(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，受光器接受光線之后就產(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。

完成了大功率開關(guān)電源主回路設(shè)計(jì)，該電路采用的是全橋拓?fù)浣?jīng)過高頻變壓器轉(zhuǎn)換再整流，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是三相進(jìn)線15V/6KA輸出。其中，主回路的保護(hù)設(shè)計(jì)及報(bào)警設(shè)計(jì)是必不可少的。我首先想到的是，通過單片機(jī)輸出控制繼電器動(dòng)作，而且由于抗干擾的要求，我必須通過光耦隔離。光耦隔離繼電器保護(hù)電路設(shè)計(jì)應(yīng)需而生。

主要電路設(shè)計(jì)如下圖：

該繼電保護(hù)主要隔離應(yīng)用的是TI公司生產(chǎn)的TIL117光耦芯片。該芯片無需供電，通過光耦二極管上拉15V電源輸出15mA即可正常工作，有效隔離了輸出側(cè)對(duì)主回路的電磁影響。

另外該電路還有一個(gè)+24V供電電源，大部分繼電器設(shè)計(jì)的時(shí)候都需要24V，該電源設(shè)計(jì)圖如下：

該電路主要的穩(wěn)壓芯片采用的是生產(chǎn)設(shè)計(jì)的UA7824芯片，該芯片輸入電壓可調(diào)范圍寬，穩(wěn)壓性能好，功耗低價(jià)格低廉。在繼電器電路設(shè)計(jì)的圖紙中，穩(wěn)壓電源我大部分是用的這個(gè)芯片。

光電隔離電路設(shè)計(jì)方案（二）

新型電路原理

圖1所示是筆者設(shè)計(jì)的隔離放大器的原理電路。本隔離放大電路主要由光電耦合器和運(yùn)算放大器構(gòu)成。光電耦合器選用普通光耦TLP521，運(yùn)算放大器則選擇通用運(yùn)算放大器LF353。通過這兩種普通器件的搭配。所得到的隔離放大器性能和專用模擬隔離放大器的性能相近。

圖1所示是放大器加普通光耦組成的隔離放大電路。本隔離放大電路由輸入和隔離輸出兩部分構(gòu)成，且兩部分使用隔離的電源（Vcc1、Vee1和Vcc2、Vee2供電。

輸入部分由運(yùn)放U1，電阻R1、R2、R3、R4、R5，電容C1、C2，光電耦合器OPT1、OPT2、OPT3、OPT4的發(fā)光二極管部分OPT1_A、OPT2_A、OPT3_A、OPT4_A和OPT1、OPT3的光敏三極管部分OPT1_B、OPT3_B組成，由正電源Vcc1和負(fù)電源Vee1供電。

OPT1_A、OPT2_A和OPT3_A、OPT4_A的電流構(gòu)成差動(dòng)放大輸入。R1和R2為運(yùn)放的輸入電阻，R3和R4可為四個(gè)光耦的發(fā)光二極管（LED）提供偏置和控制電流。運(yùn)放U1和光耦OPT1、OPT3組成了一個(gè)射級(jí)跟隨器，R5上的電壓即為運(yùn)放的輸入電壓。

運(yùn)放的帶寬決定著構(gòu)成隔離放大器的帶寬。現(xiàn)有的集成模擬隔離放大器的帶寬均在100kHz以下，而常用運(yùn)放的帶寬是這個(gè)帶寬的幾倍到幾十倍。

因此，本設(shè)計(jì)選用一般的運(yùn)放就可以滿足輸入部分的帶寬要求。所以，輸入級(jí)的運(yùn)算放大器可選用普通運(yùn)放（如LF353）。R7和C3用來濾波。本電路的隔離輸出部分由OPT2、OPT4的光敏三極管OPT2_B、OPT4_B、電位器W1和輸出電阻R6組成。

OPT2_B和OPT4_B為隔離輸出，它的電路結(jié)構(gòu)和輸入部分的光敏三極管相似，用于為輸出級(jí)提供電流。電位器W1用來調(diào)零。而兩部分光耦的電流傳輸比有偏差時(shí)，就會(huì)造成光耦LED電流相等而輸出級(jí)電流差不相同，從而使輸出電壓vo的零點(diǎn)產(chǎn)生漂移。因此，調(diào)節(jié)電位器W1可以消除這種由于光耦器件特性偏差所帶來的零點(diǎn)漂移。R6為輸出負(fù)載，它和電位器W1共同決定輸出電壓vo。

由此可知，本設(shè)計(jì)選用普通光耦即可（如東芝公司的光電耦合器TLP521）。

AD210AN集成放大器

AD210AN是AD公司的集成模擬隔離放大器芯片。在該隔離放大電路中，AD210的16、17兩引腳連接在一起，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)跟蹤功能。18、19兩引腳之間通過電阻Ra接信號(hào)源Vs，18腳和Vs共地。腳1和腳2為輸出引腳，Rb為輸出負(fù)載電阻（使用時(shí)可選Ra=Rb=1kΩ）。該電路可實(shí)現(xiàn)1:1的隔離傳輸功能。

光電隔離電路設(shè)計(jì)方案（三）

光電隔離器可以組成多種應(yīng)用電路，如光電隔離電路，長傳輸線隔離器，TTL電路驅(qū)動(dòng)器，CMOS電路驅(qū)動(dòng)器，脈沖放大器等。

光電隔離電路設(shè)計(jì)方案（四）

光電隔離是數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)抗干擾的一項(xiàng)重要措施，由于光電耦合器件的非線性，對(duì)模擬量的光電隔離會(huì)帶來較大信號(hào)失真。為了提高光電隔離電路的線性度，采用負(fù)反饋方法把光耦器件的輸出電流反饋輸入端。進(jìn)行光電隔離電路的靜態(tài)特性試驗(yàn)。

深度負(fù)反饋電路設(shè)計(jì)，使用深度負(fù)反饋可以改善系統(tǒng)的線性度，根據(jù)這個(gè)原理，在此設(shè)計(jì)了模擬信號(hào)的光電隔離電路。在該電路中使用了1片LP521光耦和2片LM2904集成運(yùn)放。LP521有兩路光耦，其中一路用于信號(hào)轉(zhuǎn)換，一路用于負(fù)反饋;運(yùn)放2904，1A用于用于組成負(fù)反饋電路。運(yùn)放2904構(gòu)成了電壓跟隨器，用于增加電路帶負(fù)載能力。模擬信號(hào)光電隔離電路如圖3所示。

電路輸出電壓和輸入電壓是線性關(guān)系：LP521的兩路光耦通道的發(fā)光二極管串聯(lián)，通過2個(gè)二極管的電流If1=If2。因?yàn)閮陕饭怦罘庋b在1個(gè)器件中，光電特性基本一致，理想情況下可以認(rèn)為兩路光耦的集電極輸出電流相等，即Ice1=Ice2。

根據(jù)理想運(yùn)放的性質(zhì)，可以得到下面的公式：

Vi=Ice2R1（1）

Vo=Ice1R2（2）

所以Vo=（R2/R1）Vi，輸出電壓和輸入電壓成正比，比例系數(shù)由R1和R2確定。

光電隔離電路設(shè)計(jì)方案（五）

一、RS485總線介紹

RS485總線是一種常見的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，采用平衡發(fā)送與差分接收的方式，因此具有抑制共模干擾的能力。在一些要求通信距離為幾十米到上千米的時(shí)候，RS485總線是一種應(yīng)用最為廣泛的總線。而且在多節(jié)點(diǎn)的工作系統(tǒng)中也有著廣泛的應(yīng)用。

二、RS485總線典型電路介紹

RS485電路總體上可以分為隔離型與非隔離型。隔離型比非隔離型在抗干擾、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面都有更出色的表現(xiàn)，但有一些場(chǎng)合也可以用非隔離型。我們就先講一下非隔離型的典型電路，非隔離型的電路非常簡單，只需一個(gè)RS485芯片直接與MCU的串行通訊口和一個(gè)I/O控制口連接就可以。如圖1所示：

圖1、典型485通信電路圖（非隔離型）

當(dāng)然，上圖并不是完整的485通信電路圖，我們還需要在A線上加一個(gè)4.7K的上拉偏置電阻；在B線上加一個(gè)4.7K的下拉偏置電阻。中間的R16是匹配電阻，一般是120Ω，當(dāng)然這個(gè)具體要看你傳輸用的線纜。（匹配電阻：485整個(gè)通訊系統(tǒng)中，為了系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性，我們一般會(huì)在第一個(gè)節(jié)點(diǎn)和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)加匹配電阻。所以我們一般在設(shè)計(jì)的時(shí)候，會(huì)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)都設(shè)置一個(gè)可跳線的120Ω電阻，至于用還是不用，由現(xiàn)場(chǎng)人員來設(shè)定。當(dāng)然，具體怎么區(qū)分第一個(gè)節(jié)點(diǎn)還是最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)，還得有待現(xiàn)場(chǎng)的專家們來解答呵。）TVS我們一般選用6.8V的，這個(gè)我們會(huì)在后面進(jìn)一步的講解。

光電隔離電路設(shè)計(jì)方案（六）

光電隔離介紹

光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。

這就完成了電—光—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入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，它在長線傳輸信息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，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。

圖1.光電隔離器工作原理

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入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，它在長線傳輸信息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，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。

光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)

信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、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。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。

光電隔離電路的作用

是在電隔離的情況下，以光為媒介傳送信號(hào)，對(duì)輸入和輸出電路可以進(jìn)行隔離，因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等好處，使其在強(qiáng)-弱電接口，特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。

圖2. 光電隔離器應(yīng)用

電壓、電流、溫度、壓力、應(yīng)力及流量等測(cè)量是工業(yè)及過程控制應(yīng)用中的重要組成部分。此類應(yīng)用環(huán)境常會(huì)涉及危險(xiǎn)級(jí)電壓、瞬態(tài)信號(hào)、共模電壓及不穩(wěn)定地電位，可能會(huì)損壞測(cè)量系統(tǒng)，降低測(cè)量精度。為了克服以上缺陷，工業(yè)應(yīng)用中的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)加入電氣隔離。本白皮書集中討論模擬測(cè)量中的隔離，解答隔離應(yīng)用中的常見問題，還將涉及不同隔離方式的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)隔離的方法

隔離要求信號(hào)通過隔離阻障傳輸，不能有直接電氣連接。常用的非接觸式信號(hào)傳輸器件有發(fā)光二極管（LED）、電容、電感等。此類器件的基本原理即是最常見的三種隔離技術(shù)：光電、電容、及電感耦合。LED能在通電時(shí)發(fā)光。光電隔離利用LED與光電探測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)隔離阻障，通過光來傳輸信號(hào)。

光電隔離電路

光電探測(cè)設(shè)備接受LED發(fā)出的光信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)。光電隔離是最常用的隔離方法。使用光電隔離的優(yōu)勢(shì)是能夠避免電氣與磁場(chǎng)噪聲。而缺點(diǎn)則是傳輸速度受限于LED的轉(zhuǎn)換速度、高功率散射及LED磨損。