2008年10月第10期电子测试EL ECTRONIC TEST Oct.2008No.10数字信号光耦合器应用电路设计田德恒(莱芜职业技术学院信息工程系　莱芜　271100)摘　要:较强的输入信号可直接驱动光耦的发光二极管,较弱的则需放大后才能驱动光耦。

在光耦光敏三极管的集电极或发射极直接接负载电阻即可满足较小的负载要求;在光耦光敏三极管的发射极加三极管放大驱动,通过两只光电耦合器构成的推挽式电路以及通过增加光敏三极管基极正反馈,既达到较强的负载能力,提高了功率接口的抗干扰能力,克服了光耦的输出功率不足的缺点,又提高光耦的开关速度,克服了由于光耦自身存在的分布电容,对传输速度造成影响。

最后给出了光耦合器在数字电路中应用示例。

关键词:数字信号;光电耦合器;输入电路;输出电路中图分类号:TP211 文献标识码:BApplied circuit design of optoelect ronic coupler to t he digital signalTian Deheng(Dept of Information Engineering ,Lai Wu Vocational College ,Laiwu 271100,China )Abstract :The light 2emitting diode of optocoupler can be directly drived by stro nger inp ut sig 2nals ,t he weaker t he inp ut signal can be enlarged before driving optocoupler.Connecting direct 2ly load resistance wit h t he collector or emitter of p hotot ransistor to meet smaller load require 2ment s ;drover by t he amplifier triode on t he emitter of p hotot ransistor ,p ush 2p ull circuit s con 2sisting of two optocoupler as well as positive feedback added to base of t he p hotot ransistor not o nly achieve st rong load capacity and enhance t he power of t he interface anti 2jamming capabili 2ty ,but also overcome t he shortcomings of t he scant outp ut power ,increase t he switching speed ,overcome effect on t he speed of t he t ransmission due to t he distribution of capacitance.Finally ,t he application example of t he optocoupler in t he digital circuit is given.K eyw ords :digital signal ;optoelect ronic coupler ;inp ut circuit ;outp ut circuit0　引 言光电耦合器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2光2电”转换来传输电信号的半导体光电子器件。

光耦合器的主要优点是单向传输信号,输入端与输出端完全实现了电气隔离,抗干扰能力强,使用寿命长,传输效率高。

它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电测试工具与解决方案2008.10路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降V F、正向电流I F、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极2发射极反向击穿电压V(BR)CEO、集电极2发射极饱和压降V CE(sat)。

在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。

电流传输比是光耦合器的重要参数,通常用直流电流传输比来表示。

当输出电压保持恒定时,它的百分比。

,CTR的范围大多为20%～%(如4N35),而PC817则为80%～160%,达林顿型光耦合器(如4N30)可达100%～5000%。

这表明欲获得同样的输出电流,后者只需较小的输入电流。

因此,C TR参数与晶体管的h FE有某种相似之处。

1　输入电路设计常用光电耦合数字信号输入电路如图1所示。

图1　常用光耦合器数字信号输入电路光电器件或光电输入电路以及其他电路的输出信号比较强,即光耦合器的输入信号较强的情况下,可直接驱动光耦合器的发光二极管。

电路如图1(a)、(b)所示。

其中图1(a)为高电平驱动,输入高电平时L ED正偏导通,光耦合器输出端有信号输出。

图1(b)为低电平驱动电路,当输入信号为低电平时L ED正偏导通,光耦合器输出端有信号输出。

如图1(a)、(b)中R1为限流电阻。

图1(a)电路中,R1以如下估算:R1=U H-U FI F(1)式中:U H为数字信号高电平电压值;U F为发光二极管导通电压;I F为导通电流,可从手册上查得。

图1(b)电路中,R1按如下估算:R1=V CC-U L-U FI F(2)式中:U L为低电平电压值。

当输入信号较弱时,须经放大后能驱动光耦。

增大电流驱动电路如图1(c)所示。

R1亦为限流电阻,按如下估算:R1=V CC-U CES-U FI F(3)式中:U CES为三极管饱和压降。

2　输出电路设计2.1　小功率输出电路接口设计电路如图2所示。

图2　常用光耦合器输出电路其中图2(a)为同相输出形式,即输入电平与输出电平极性相同。

当U i为高电平时L ED正向导通发光,光敏元件受到光照后产生导通,在R2上形成压降,U o为高电平“1”。

电阻R2的由如下估算:I L=C T R I F(4)2008.10Test Tools&SolutionR2=V PP-U CE(sat)I L(5)式中:U CE(sat)为光耦中光敏三极管饱和压降。

图2(b)为反相输入形式,即U i为高电平“1”时,U o为低电平“0”;而U i为低电平“0”时,U o为高电平“1”。

电阻R2的由式(4)、(5)估算。

在这里应该注意:在图2(a)、(b)两种情况中,光耦集电极电阻按照式(4)、(5)确定。

如果其集电极负载电阻能太小,输出电压的摆幅就受到了限制。

如果负载电阻又不宜过大,光电耦合器的频率特性就越差,传输延时也越长。

图2(c)为电路放大输出形式,可以提高电路稳定性和可靠性,图中接法为同相输出形式。

2.2　功率接口的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10μs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3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CR T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 。

图3　加三极管放大驱动2.3　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。

我们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R L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。

图4　光敏三极管内部分布电容图5中用两只光电耦合器T1,T2接成互补推挽式电路,可以提高光耦的开关速度。

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。

图5　两只光电耦合器构成的推挽式电路 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,4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。

图6　通过增加光敏基极正反馈来提 高光耦的开关速度3　光耦合器在数字电路中应用示例图7为某能源自动检测系统中液体流量检测通道电路图。

U i是幅度为几伏的脉冲信号。

它是由系统中涡轮流量变换器、磁阻传感器经前置放大后输出的(图中未画出)。

U i的频率与涡轮转速亦即和流量成正比。

图7中,光耦为有基极引出线的4N35型光耦,它不仅能有效抑制工业现场干扰,提高测试通道信噪比,还能完成变换器与数字信号间信号电平转换。

4N35的主要参数:图中R1、R2组成偏置电路,使V1输入为高电平时可靠导通;R3为光耦L ED限流电阻;R4为光敏三极管集电极偏置电阻。

当光敏三极管截止时,光耦输出高电平,当光敏二极管导通时光耦输出低电平。

后面接两个施密特触发器进行整形,将输入与流量成正比的的脉冲变成沿口陡直的矩形窄脉冲。