光電耦合器在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

（廣東海洋大學(xué)，廣東 湛 江 5 24088）

在工業(yè)控制技術(shù)中，機(jī)械分系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是通過接口實(shí)現(xiàn)有機(jī)統(tǒng)一的。在接口技術(shù)中，強(qiáng)電和弱電的電氣隔離，是接口設(shè)計(jì)一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的繼電接觸器控制,采用的是固定接線方式，一旦生產(chǎn)過程有所變動(dòng)，就得重新設(shè)計(jì)線路連接安裝，不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)和PLC控制技術(shù),逐漸取代了傳統(tǒng)的繼電接觸器硬接線控制，日益成為工業(yè)控制技術(shù)的主流，是典型的機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用。在單片機(jī)和PLC控制過程中，機(jī)械分系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是通過接口來實(shí)現(xiàn)物質(zhì)、能量和信息的傳遞和交換的[2]。在接口設(shè)計(jì)中，光電耦合器經(jīng)常用來提高系統(tǒng)的抗干擾能力及保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作，是非常重要的一種元件。

1 光電耦合器結(jié)構(gòu)和原理

光電耦合器是把發(fā)光二極管和光敏晶體管或光敏晶閘管等光傳感器等封裝在一起，通過光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)傳遞的器件。由于光電耦合器輸入與輸出之間，沒有直接的電氣聯(lián)系，電信號(hào)是通過光信號(hào)傳遞的，所以也稱光電隔離器。光電耦合器的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖1所示。

圖1 光電耦合器的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

光電耦合器是由發(fā)光源和受光器兩部分組成，并由不透明材料封裝在一起。發(fā)光源引出的管腳為輸入端，受光器引出的管腳為輸出端。當(dāng)在輸入端加正向電壓時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，照射光敏晶體管（或晶閘管）使之導(dǎo)通，產(chǎn)生輸出信號(hào)。

2 光電耦合器技術(shù)參數(shù)及術(shù)語

（1）電流傳輸比CTR。是指光電晶體管的集電極電流IC與發(fā)光二極管的電流If之比。

不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器，電流傳輸比相差很大，例如輸出端是單個(gè)晶體管的光電耦合器4N25的電流傳輸比CTR≥20%，而輸出端使用達(dá)林頓管的光電耦合器4N33的電流傳輸比CTR≥500%。

（2）時(shí)間延遲。是指光電耦合器在傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)間的延遲時(shí)間。

（3）正向壓降。光電耦合器正向壓降為1.5 V左右。

（4）飽和壓降 UCES。光電耦合器飽和壓降UCES為0.4 V左右。

（5）最大正向電流IFM。光電耦合器最大正向電流IFM的范圍為50～70 mA。

3 光電耦合器在控制系統(tǒng)中的隔離作用

在工業(yè)控制領(lǐng)域中，控制系統(tǒng)不僅要對被控對象進(jìn)行檢監(jiān)測，輸入被控系統(tǒng)的開關(guān)量和模擬量，而且還要把經(jīng)過處理后的信息，以開關(guān)量和模擬量形式輸出，并控制被控系統(tǒng)工作。這些開關(guān)量和模擬量本身，往往就是強(qiáng)電系統(tǒng)。強(qiáng)電控制電路必將會(huì)對控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對控制系統(tǒng)產(chǎn)生致命性摧毀。因此，強(qiáng)電和弱電的電氣隔離，是接口設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)[3]。

光電耦合器的信號(hào)傳遞采取電-光-電形式，發(fā)光部分和受光部部分不接觸，因此其絕緣電阻可高達(dá)1010Ω以上，并能承受2 000 V以上的高壓。被耦合的兩個(gè)部分可以自成系統(tǒng)不“共地”，能夠?qū)崿F(xiàn)電控系統(tǒng)強(qiáng)電部分與弱電部分隔離，避免干擾由輸出通道竄入控制微機(jī)?？梢?，光電耦合器在控制系統(tǒng)中，是完全可以用來隔離強(qiáng)電部分與弱電部分的元件。

在控制系統(tǒng)中，電氣隔離通常分為對開關(guān)量的輸入/輸出隔離和對模擬量輸入/輸出的隔離。

3.1 采用光電耦合器對開關(guān)量輸出和模擬量輸出的隔離

控制現(xiàn)場電器的通/斷，是通過開關(guān)量輸出通道進(jìn)行控制的。如電器的啟/停、繼電器的通/斷、電磁閥的吸合/釋放，甚至步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)脈沖等，這些都是以開關(guān)量的形式表現(xiàn)出來的，都可以用數(shù)字1或0表示。開光量輸出通道，一般是一條端口線控制一路電器。由于現(xiàn)場電器通斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，所以從端口線輸出的開關(guān)量都需要電氣隔離[4]。

在控制系統(tǒng)控制開關(guān)輸出電路時(shí)，通常把開關(guān)量鎖存在鎖存器中，然后在鎖存器和開關(guān)量輸出電路之間，放置隔離電路。隔離電路除了消除開關(guān)量輸出電路在控制動(dòng)力設(shè)備啟停時(shí)所產(chǎn)生的沖擊干擾，還避免了強(qiáng)電竄入控制系統(tǒng)而對控制系統(tǒng)造成毀壞。隔離電路通常分為繼電器隔離和光電耦合器隔離兩類。

繼電器隔離，適用于啟動(dòng)負(fù)荷大響應(yīng)速度慢的動(dòng)力設(shè)備，因?yàn)槔^電器觸點(diǎn)的負(fù)載能力大，能直接控制強(qiáng)電動(dòng)力電路。

光電耦合器隔離的響應(yīng)速度非?？?，作為開關(guān)應(yīng)用時(shí)，具有耐用、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間一般為數(shù)微秒以內(nèi)，高速型光電耦合器的響應(yīng)時(shí)間，有的甚至小于10 ns。

光電耦合器種類很多，目前常用的光電耦合器有TLP521系列和4N系列等。其類型有發(fā)光二極管/光晶體管、發(fā)光二極管/復(fù)合晶體管、發(fā)光二極管/光電阻器、發(fā)光二極管/光晶閘管等，原理電路圖如圖2所示。這些器件不僅可以用于電路間的聯(lián)接，而且不受接觸振動(dòng)、電氣噪聲和電動(dòng)機(jī)械配合部分因磨損引起干擾的影響。

圖2 光電耦合器類型

開關(guān)量輸出常見的受控對象有電磁閥、繼電器、步進(jìn)電機(jī)等。

控制功率較大設(shè)備如電機(jī)時(shí)，除了采用光電耦合器隔離外，往往還要根據(jù)實(shí)際情況和外圍驅(qū)動(dòng)器聯(lián)合使用。國內(nèi)有CJ系列外圍驅(qū)動(dòng)器可供選擇，國外有SN系列外圍驅(qū)動(dòng)器可供選擇。有時(shí)和放大器聯(lián)合使用，也可獲得合理驅(qū)動(dòng)電流。

圖3是用8031單片機(jī)通過光電耦合器控制步進(jìn)電機(jī)的接口電路，其中7407為同相驅(qū)動(dòng)器，4N25為發(fā)光二極管/光晶體管型光電耦合器。當(dāng)803的P1.0端輸出高電平時(shí)，光電耦合器輸入端為0，則輸出開路，晶體管VT1不導(dǎo)通，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組兩端無電壓；當(dāng)P1.0輸出低電平時(shí)，4N25的輸入電流為10 mA，4N25的電流傳輸比CTR≥20%，輸出端可以流過大于2 mA的電流，再經(jīng)過晶體管放大，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需電流。

圖3中，輸入部分與輸出部分采用兩套互相獨(dú)立的電源，且不共地，沒有電氣聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)了電氣隔離。

圖3 8031單片機(jī)通過光電耦合器控制步進(jìn)電機(jī)的接口電路

單片機(jī)的控制輸出，除了和開關(guān)量有關(guān)之外，還與模擬量有關(guān)。與模擬量有關(guān)的控制輸出經(jīng)過模擬量輸出通道，同樣要經(jīng)過隔離，才能進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)，作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.2 采用光電耦合器對開關(guān)量輸入和模擬量輸入的隔離

被控對象的一些開關(guān)狀態(tài)，可以經(jīng)開關(guān)量輸入通道輸入到控制系統(tǒng)，如電器的啟動(dòng)和停止、電磁鐵的吸合和斷開、光路的通和斷等。但是，控制現(xiàn)場這些開關(guān)狀態(tài)一般都不能直接接入單片機(jī)控制系統(tǒng)。原因有兩點(diǎn)：

一方面，現(xiàn)場開關(guān)量一般不是TTL電平，需要將不同的電平轉(zhuǎn)化成單片機(jī)所需的TTL電平，該過程稱為電平匹配；

另一方面，即使現(xiàn)場開關(guān)量符合TTL電平需要，由于來自現(xiàn)場的干擾嚴(yán)重，一般也需將控制系統(tǒng)與現(xiàn)場電氣隔離，避免現(xiàn)場電氣對控制系統(tǒng)的干擾。

可見，電氣隔離仍然是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

圖4為采用光電耦合器隔離的開關(guān)量輸入原理。

圖4 用光電耦合器隔離開關(guān)量輸入原理

當(dāng)系統(tǒng)端口有未用的端口線時(shí)，可以簡單地將光電耦合器的輸出端，直接接到系統(tǒng)端口線上，如圖4所示，直接接到P1.0上。當(dāng)端口線全部被占用，可用74系列門電路擴(kuò)展并行輸入口。開關(guān)的通斷一般要有去抖措施，可用硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可用軟件延時(shí)的辦法實(shí)現(xiàn)。

和開關(guān)量輸入一樣，控制系統(tǒng)在輸入模擬量時(shí)，也必須采用光電耦合器進(jìn)行隔離。

控制現(xiàn)場非電物理量，經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成模擬電量，再經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換一定形式的模擬電量輸給A/D轉(zhuǎn)換器件，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后再通過光電耦合器送給CPU。

4 結(jié)束語

通過實(shí)踐證明，采用光電耦合器進(jìn)行強(qiáng)電和弱電的電氣隔離，是一種行之有效的方法，不僅安全可靠，而且價(jià)格低廉。此外，采用了高耐壓光電耦合器的固態(tài)繼電器，有逐步取代傳統(tǒng)繼電器之勢[5]?？梢姡怆婑詈掀髟诳刂葡到y(tǒng)中，是非常重要的元件，必將得到越來越多的發(fā)展和應(yīng)用。

[1]常斗南.可編程序控制器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]鄭 堤，唐可洪.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[4]傅揚(yáng)烈，俞光昀.單片機(jī)原理與應(yīng)用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[5]林明星.電氣控制及可編程序控制器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.