光电隔离产生背景

工业应用环境中存在着许多不小的瞬变脉冲，这些瞬变脉冲会影响到数据的传输，甚至伤害互连的设备，为了能够在高速现场总线通信得到无错误的数据传输，工业系统设计工程师必须要对这些干扰进行处理，通常会使用具有绝缘隔离功能的光电耦合器来维持数据的完整性并保护互连设备。

一、信号隔离：

其目的在于从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，而不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。测控装置与现场信号之间、弱电和强电之间，常用的隔离方式有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离、隔离放大器等。另外，在布线上也应该注意隔离。

信号隔离器

二、光电耦合器：

将发光元件和受光元件组合在一起，通过电-光-电这种转换，利用“光”这一环节完成隔离功能，使输入和输出在电气上是完全隔离的。根据受光元件的不同可分为晶体管输出型和晶闸管输出型两类。

光电耦合器具有三个特点：①信号传递采取电-光-电的形式，发光部分和受光部分不接触，能够避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰，②抑制噪声干扰能力强；③具有耐用、可靠性高和速度快等优点，响应时间一般为数 以内，高速型光电耦合器的响应时间有的甚至小于10ns。

三、固态继电器:

固态继电器按使用场合可以分为交流型(AC-SSR) 和直流型(DC-SSR)两类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用。

四、隔离放大器：

为完成地线隔离，将放大器加上静电和电磁屏蔽浮置起来，这种放大器叫隔离放大器，或叫隔离器，其输入和输出电路与电源没有直接的电路耦合关系。常用的隔离放大器有Analog Devices公司的AD277J、AD202、AD204、AD289、AD290、AD210、AD281等。

五、线性光电隔 离放大器：

利用发光二极管的光反向送回输入端，正向送至输出端，从而提高了放大器的精度和线性度。放大器的输入端和输出端是用光隔离的，所以不存在电气连接。常见的线性光电隔离放大器有Burr-Brown公司的ISO100、3650和3652。

​光电隔离器（optoelectronic isolator，英文缩写为OC）亦称光电耦合器、光耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。

光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。

光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、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。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。

的其它详细资料参见光电耦合器

微机有多个输入埠，接收来自远处现场设备传来的状态信号，微机对这些信号 处理后，输出各种控制信号去执行相应的操作。在现场环境较恶劣时，会存在较大的杂讯干扰，若这些干扰随输入信号一起进入微机系统，会使控制准确性降低，产生误动作。因而，可在微机的输入和输出端，用光耦作介面，对信号及杂讯进行隔离。典型的光电耦合电路如图6所示。该电路主要应用在"A/D转换器"的数位信号输出，及由CPU发出的对前向通道的控制信号与类比电路的介面处，从而实现在不同系统间信号通路相联的同时，在电气通路上相互隔离，并在此基础上实现将类比电路和数位电路相互隔离，起到抑制交叉串扰的作用。

图六 光电耦合器接线原理

对于线性类比电路通道，要求光电耦合器必须具有能够进行线性变换和传输的特性，或选择对管，采用互补电路以提高线性度，或用V/F变换后再用数位光耦进行隔离。

在微机控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过微机 的I/O输出，而I/O的驱动能力有限，一般不足以驱动一些点磁执行器件，需加接驱动介面电路，为避免微机受到干扰，须采取隔离措施。如可控硅所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控制信号与可控硅触发电路进行隔离。电路实例如图7所示。

图七 双向可控硅(晶闸管)

在马达控制电路中，也可采用光耦来把控制电路和马达高压电路隔离开。马达靠MOSFET或IGBT功率管提供驱动电流，功率管的开关控制信号和大功率管之间需隔离放大级。在光耦隔离级-放大器级-大功率管的连接形式中，要求光耦具有高输出电压、高速和高共模抑制。

在电脑应用系统中，由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输，信号在传输过程中很易受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真;另外，在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，常因设备间的地线电位差，导致地环路电流，对电路形成差模干扰电压。为确保长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔离措施，将2个电路的电气连接隔开，切断可能形成的环路，使他们相互独立，提高电路系统的抗干 扰性能。若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光电耦合器将长线完全"浮置"起来，如图8所示。

图八 传输长线的光耦浮置处理

长线的"浮置"去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各电路的电流经公共地线时所产生杂讯电压形成相互窜扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配问题;同时，受控设备短路时，还能保护系统不受损害。

零交叉，即过零检测，指交流电压过零点被自动检测进而产生驱动信号，使电子开关在此时刻开始开通。现代的零交叉技术已与光电耦合技术相结合。图9为一种单片机数控交流调压器中可使用的过零检测电路。

图九 过零检测

220V交流电压经电阻R1限流后直接加到2个反向并联的光电耦合器GD1，GD2的输入端。在交流电源的正负半周，GD1和GD2分别导通，U0输出低电平，在交流电源正弦波过零的瞬间，GD1和GD2均不导通，U0输出高电平。该脉冲信号经反闸整形后作为单片机的中断请求信号和可控矽的过零同步信号。

注意事项

(1)在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。

(2)当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号(包括数位量信号、控制量信号、状态信号)全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。

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