淺談光耦合器在接口組件I/O板中的作用

王家波　馬致琪

摘要：由于航空電子設(shè)備工作的環(huán)境特殊，電磁、輻射等諸多干擾因素的存在，會(huì)給飛機(jī)控制帶來(lái)極大的危害。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾的能力，文章建議在懸掛物接口電路中采用光耦隔離器，實(shí)踐證明，其在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：干擾；光耦；隔離

1.接口組件與I/O板

1.1接口組件與I/O板的關(guān)系

如圖1所示，接口組件是懸掛物控制系統(tǒng)與懸掛物之間的連接單元，懸掛物處理機(jī)通過(guò)1553B總線將控制信號(hào)發(fā)給接口組件，接口組件中的CPU接收指令后，將信號(hào)傳遞給I/0板，I/O板負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)量的輸入和輸出。輸出電路通過(guò)繼電器模塊控制每個(gè)懸掛物的狀態(tài)。I/0板上開(kāi)關(guān)量的輸入與輸出，需要依靠CPU模塊通過(guò)內(nèi)部總線的控制來(lái)完成。當(dāng)需要接受開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)時(shí)，I/O通過(guò)CPU輸出的控制信號(hào)和地址信號(hào)進(jìn)行譯碼，生成片選信號(hào)，選通對(duì)應(yīng)的輸入通路，然后CPU板在數(shù)據(jù)線上讀取到輸入數(shù)值。當(dāng)需要輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)時(shí)，I/O板通過(guò)對(duì)CPU輸出的控制信號(hào)和地址信號(hào)進(jìn)行譯碼，生成片選信號(hào)，選通對(duì)應(yīng)的輸出通路，根據(jù)數(shù)據(jù)線的數(shù)值產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)。

1.2接口組件中的干擾來(lái)源

（A）電源系統(tǒng)引入的干擾：供電電源的不穩(wěn)定，頻率的波動(dòng)，直接影響懸掛物系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

（B）傳輸電纜引入的干擾：由于機(jī)上信號(hào)的復(fù)雜性，信號(hào)傳輸電纜比較長(zhǎng)，易引入干擾信號(hào)。

（C）接地系統(tǒng)引入的干擾：接地方式的不當(dāng)也會(huì)引入干擾，直流地與交流地沒(méi)有分別接地，控制器與被控制設(shè)備沒(méi)有分別接地等方式。

（D）輸入輸出電路引入的干擾：信號(hào)傳輸過(guò)程中的噪音，電磁繼電器的線圈產(chǎn)生的電磁干擾等。為了實(shí)現(xiàn)輸入輸出電路上的電氣隔離，增強(qiáng)抗干擾能力，近年來(lái)光耦合器得到了廣泛的應(yīng)用。

1.3 I/0板電路輸入輸出線路的抗干擾

光電耦合器是發(fā)光器件和光敏器件組合所構(gòu)成的光結(jié)合器件的總稱，用它可以執(zhí)行電一光一電信號(hào)的變換。因?yàn)楣怆婑詈掀髟趥鬏斶^(guò)程中是以光作為媒介把輸入端的電信號(hào)耦合到輸出端的。

2.光耦合器的結(jié)構(gòu)與原理

將一種發(fā)光器件（發(fā)光二極管）和一種光敏感器件（光敏晶體管）緊密地組裝在一起，并封裝在一個(gè)對(duì)外隔光的管殼之中，使發(fā)光二極管發(fā)出的光落到光敏三極管的表面上，如圖2-3所示。

然后給它加上一些外圍電路，人們將會(huì)發(fā)現(xiàn)盡管兩個(gè)器件在電氣上是物理分離的，但是發(fā)光二極管的導(dǎo)通電流能夠控制光敏三極管的導(dǎo)通電流使負(fù)載發(fā)光二極管能夠發(fā)光。因?yàn)檩斎耄òl(fā)光二極管）和輸出（光敏三極管）器件是通過(guò)光耦合的。

I/O板中常使用16管腳TLP621-4型光耦合器件（參數(shù)見(jiàn)表1），管殼內(nèi)部封裝有4組相同的發(fā)光與受光器件，可以同時(shí)傳輸4路信號(hào)。

在光耦合器中，從發(fā)光二極管注入電流信號(hào)，再?gòu)募姌O.發(fā)射極通路里得到集電極電流信號(hào)。發(fā)光二極管把外來(lái)的電信號(hào)通過(guò)自身變成規(guī)律相同的光信號(hào)，是一個(gè)將電能變化成光能的電一光器件。光敏三極管把所接受的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，是一個(gè)光一電器件。在信息傳輸過(guò)程中，是以光為媒介把輸入通道與輸出通道的電信號(hào)耦合在一起。因此，輸入通道與輸出通道在電性能上是完全隔離的，并目在這兩個(gè)通道之間完全可以存在成百上千伏的電位差而不會(huì)對(duì)光耦合器的工作產(chǎn)生不利的影響。這種隔離特性是光耦合器主要的誘人之處。

2.1光耦合器的特點(diǎn)

首先，由于發(fā)光器件和受光是密封在同一個(gè)管殼中，不會(huì)受到外界光的干擾；其次，輸出電路的干擾信號(hào)無(wú)法反饋到輸入電路中；第三，發(fā)光二極管的動(dòng)態(tài)電阻非常小，而干擾源的內(nèi)阻一般很大，而使得能夠傳送到光耦合器輸入輸出的干擾信號(hào)就變得很??；第四，光耦合器的傳輸比很小，且二極管只有在通過(guò)一定的電流時(shí)才能發(fā)光，從而可以有效地抑制掉干擾信號(hào)。

2.2光耦合器的應(yīng)用

在懸掛物接口電路中，普遍采用光耦合器作為傳輸開(kāi)關(guān)量的接口器件，實(shí)現(xiàn)輸入、輸出電路與TTL控制電路之間的電氣隔離，信號(hào)匹配，抗干擾等。由于輸入側(cè)的發(fā)光器件是電流驅(qū)動(dòng)器件，抗干擾能力很強(qiáng)，所以，在長(zhǎng)線傳輸中抑制了干擾信號(hào)的侵入。

目前，懸掛物處理系統(tǒng)運(yùn)算控制部分與輸入、輸出設(shè)備之間用光耦合器作接口，大大提高了計(jì)算機(jī)的可靠性。

在一般自動(dòng)控制系統(tǒng)中，光耦合器可用在不同電壓等級(jí)的電路之間傳輸信號(hào)，組成常見(jiàn)電路有開(kāi)關(guān)電路、數(shù)字邏輯電路、接口電路、高壓穩(wěn)壓電路。一般在模擬電路中應(yīng)使用線性好的光耦合器，以減小信號(hào)波形的失真。

2.3光耦合器的主要性能

（1）電流傳輸比CTR，說(shuō)明光電耦合效率最簡(jiǎn)便的參數(shù)就是電流傳輸比CTR，cTR就光敏三極管上輸出電流I。與發(fā)光二極管電流I之比，在實(shí)際應(yīng)用中常以百分比的形式表示：

CTR=Ic/If

（2）輸入與輸出之間的絕緣耐壓，輸入與輸出之間的絕緣耐壓值與發(fā)光二極管和光敏三極管之間的距離有直接的關(guān)系。距離越大，耐壓值越高，但電流傳輸比會(huì)降低。

（3）輸入與輸出之間的分布電容，其值一般比較小，在幾個(gè)pF以下，主要影響其在高頻場(chǎng)合的工作。

（4）響應(yīng)時(shí)間，在傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間表征光耦合器快速響應(yīng)的參數(shù)。由于光耦合器的脈沖上升與下降時(shí)間比較遲鈍，所以在使用中應(yīng)加其他電路作為補(bǔ)償。

（5）發(fā)光二極管最大輸入電流，光敏三極管的集電極到發(fā)射極之間的最高直流電壓。

3.結(jié)語(yǔ)

光耦合器由于具有體積小，使用壽命長(zhǎng)，抗干擾性能強(qiáng)，無(wú)觸點(diǎn)，抗震性能好，輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點(diǎn)，使用光耦合器，既達(dá)到了傳輸信號(hào)的目的，又起到了抑制干擾，保護(hù)電路的作用。因而在懸掛物控制系統(tǒng)的接口組件和其他電子設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。