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光电耦合器在并口长线传输中的应用

宋晓明 陈方斌 刘鑫?? 2009年06月29日 ?? 收藏0

  1 引言

  光电耦合器(以下简称光耦)是一种由发光器件和光敏器件组成的光电器件。它能实现电→光→电信号的转换,并且输入信号与输出信号隔离。目前绝大多数的光耦输入采用砷化镓红外发光二极管,输出采用硅光电二极管、硅光电三极管及光触发可控硅。因为峰值波长900~940 nm的砷化镓红外发光二极管能与硅光电器件的响应峰值波长相吻合,可获得较高的信号传输效率。

  并行接口又简称为“并口”,是一种增强了的双向并行传输接口。所谓“并口”,是指8位数据同时通过并行线传送,数据传送速度大大提高,但并行传送的线路长度受到限制。所谓“长线”是相对于数据的传输速度而言。例如,数据传输速率为9 600 b/s时,20 m的电缆即可认为是长线。传输线长度增加,干扰就会增加,容易出错,使信号无法远距离传输。对传输线进行“隔离”和“浮地”处理,是解决上述问题的较好方法。采用光电隔离电路,可去掉数据交换的两设备之间的公共地线,使两设备电气隔离翻。同时,在电→光→电信号的转换中,就光电耦合器件而言,只要其输入端有一定的电流,其输出端就能输出相应的数字信号。因此,逻辑电平的信号传递变成了固定的电流环中电流有否的状态传递。适当增大电流(低阻传输),使夹杂在信号中的电气噪声被完全限制在所选择的开关电流幅度内,即相对弱小的干扰信号电流无法改变有用信号电流的有无状态,就可有效地抑制干扰,提高信息传输的可靠性。并增加数据的传输距离。光耦合器一般由光的发射、光的接收及信号放大组成。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。就完成了电一光一电的转换,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人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,它在长线信息传输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,可大大增加计算机工作的可靠性。

  2 光电耦合器的性能特点

  光耦合器的主要优点是单向传输信号,输人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。在开关电源中,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。

  光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极一发射极反向击穿电压V(BR)CEO、集电极一发射极饱和压降VCE(sat),此外,在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时问、延迟时间和存储时间等参数。电流传输比CTR是光耦合器的重要参数,通常用直流电流传输比表示。当输出电压保持恒定时,其等于直流输出电流IC与直流输入电流,IF的百分比:CTR=IC/IF×100%。

  采用一只光敏三极管的光耦合器,CTR的范围为20%~300%(如4N35),而PC817为80%~160%,达林顿型光耦合器(如430)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。

  3 光电耦合器的选取原则

  在设计光耦光电隔离电路时必须正确选择光耦合器的型号及参数,选取原则如下:

  (1)由于光电耦合器为信号单向传输器件,而电路中数据的传输是双向的,电路板的尺寸要求一定,结合电路设计的实际要求,就要选择单芯片集成多路光耦的器件;

  (2)光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是不小于500%。因为当CTR<500%时,光耦中的LED就需要较大的工作电流(>5.0 mA),才能保证信号在长线传输中不发生错误,这会增大光耦的功耗;

  (3)光电耦合器的传输速度也是选取光耦必须遵循的原则之一,光耦开关速度过慢,无法对输入电平做出正确反应,会影响电路的正常工作。

  (4)推荐采用线性光耦。其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。设计中由于电路输入输出均是一种高低电平信号,故此,电路工作在非线性状态。而在线性应用中,因为信号不失真的传输,所以,应根据动态工作的要求,设置合适的静态工作点,使电路工作在线性状态。

  通常情况下,单芯片集成多路光耦的器件速度都比较慢,而速度快的器件大多都是单路的,大量的隔离器件需要占用很大布板面积,也使得设计的成本大大增加。在设计中,受电路板尺寸、传输速度、设计成本等因素限制,无法选用速度上非常占优势的单路光耦器件,在此选用TOSHIBA公司的TLP521-4。

  4 TLP521-4简介

  光电隔离模块TLP521-4(GB)是一款具有完整基极一发射极的性能优良的固定延时光电耦合器,它具有最优转换速度、高温性能等特点。该器件主要特性:电流转换率为100%~500%;隔离电压为2 500 Vrms(min);发射一接收电压为55 V(min);泄漏电流为lOμA(max)(Ta=85℃);最小转换时间为42μs。


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光电耦合器? 并口? 长线传输? TLP52l?

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