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電器應(yīng)用中常用的隔離器件有光耦、繼電器、變壓器。光耦是以光為媒介來(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。
很多通訊模塊也是光耦隔離的,更容易實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間的連接,完全不用考慮是否共地。
如圖1為光耦控制繼電器(小功率),為使光耦能有效驅(qū)動(dòng)繼電器,那么輸出端的阻抗應(yīng)較小,所以輸入端的電流應(yīng)較大,具體原因見(jiàn)下面分析。
圖1:光耦控制繼電器
如圖2為開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離輸入至單片機(jī),圖中24V與3.3V不是共地的,且在控制系統(tǒng)中數(shù)字電壓3.3V驅(qū)動(dòng)能力有限,所以通常用開(kāi)關(guān)電源的24V或12V作為開(kāi)關(guān)信號(hào)的電源。
圖2:輸入輸出隔離
以上兩種普通的應(yīng)用看似簡(jiǎn)單,但要正確使用光耦,就必須掌握光耦的輸入和輸出到底是什么關(guān)系?
光耦分為線性光耦和非線性光耦,實(shí)際常規(guī)應(yīng)用中線性光耦較多,因?yàn)榫€性光耦可以替代非線性光耦,現(xiàn)在以線性光耦(PS2561A)做以下實(shí)驗(yàn),換種角度了解TA的魅力。
如圖3所示,調(diào)節(jié)光耦輸入電流IF,測(cè)量輸出的CE阻抗。
圖3:輸入電流IF與輸出CE阻抗關(guān)系實(shí)驗(yàn)
左邊為輸入電流IF,右邊為輸出CE阻抗
如圖4所示,光耦輸入與輸出的限流電阻都是1k,且輸入電壓都相同,于是調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源的電壓值,可以得到光耦輸入電流IF與輸出電流IC的關(guān)系。
圖4:輸入電流IF與輸出電流IC的關(guān)系實(shí)驗(yàn)
左邊為輸入電流IF,右邊為輸出電流IC
如圖5得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),輸出電流IC與輸入電流IF曲線趨勢(shì)基本一致,CE阻抗小于1k左右呈線性變化。且最低阻抗大于100Ω。
圖5:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
所以使用線性光耦傳遞開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí),需要合理匹配輸入電阻的大小,圖1中輸入電阻360Ω,光耦輸入正向壓降1V左右,所輸入電流IC為(5-1)/360≈11mA,光耦輸出CE阻抗200Ω多點(diǎn),而繼電器HFD2線圈阻抗2880Ω,此時(shí)可正常驅(qū)動(dòng)繼電器,若IC電流變小,則CE阻抗變大后會(huì)導(dǎo)致不能正常驅(qū)動(dòng)繼電器。
線性光耦主要用于模擬信號(hào)的傳遞,輸出相當(dāng)于一個(gè)可變電阻。在開(kāi)關(guān)電源中很常見(jiàn),利用光藕做反饋,把高壓和低壓隔離。常用的有PC817、PS2561、PS2801。如前面例子也常用于開(kāi)關(guān)信號(hào)。
圖7為圖6中開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的線性光耦,開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓經(jīng)過(guò)線性光耦隔離并反饋到控制芯片達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。
圖6:光耦在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用
圖7:開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的光耦
非線性光耦主要用于開(kāi)關(guān)信號(hào)(或數(shù)字信號(hào))的傳遞,常用的4N系列的有4N25、4N26以及TIL117;另外還有高速光耦,如6N136、6N137、PS9714、PS9715等。多用于通訊隔離以及PWM波控制(可有效降低電磁干擾),判斷是不是高速光耦,看數(shù)據(jù)手冊(cè)是否注明 High speed(1Mbps、10Mbps)。
要點(diǎn)
①光耦的核心應(yīng)用是隔離作用;
②相同電壓下線性光耦輸入電阻與輸出電阻相同時(shí),輸出電流IC基本與輸入電流IF一致;即使輸入與輸出電壓不同,也可以匹配輸出與輸入的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn);
③用于開(kāi)關(guān)信號(hào)線性光耦和非線性光耦都可以,反過(guò)來(lái)線性光耦電路中不能用非線性光耦代替;
④非線性光耦要比線性光耦響應(yīng)速度快,類似于比較器比運(yùn)算放大器響應(yīng)速度快一樣。
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