4.7萬(wàn)
前兩天，開(kāi)始我們樂(lè)創(chuàng)客第一塊開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)，當(dāng)我在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，我發(fā)現(xiàn)一些電路設(shè)計(jì)軟件的使用，一些電路設(shè)計(jì)的方案，一些創(chuàng)新的想法，一些元器件的選型這些都是可以記錄成文，并且分享出來(lái)一起討論的。因此從本節(jié)文字開(kāi)始，正式開(kāi)啟電路【電路設(shè)計(jì)筆記】的更新。當(dāng)然，這里的部分電路是我用了非常多年的成熟電路，一些電路是我臨時(shí)創(chuàng)新想出的未經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的電路，這些沒(méi)有被驗(yàn)證的電路我會(huì)指出來(lái)，大家閱讀時(shí)如果發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題也希望不吝指出。
隔離電路的目的
在我們?cè)O(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的時(shí)候，經(jīng)常有這樣的困擾，有很長(zhǎng)距離的控制線或者通訊線連接兩個(gè)控制系統(tǒng)，而這樣的系統(tǒng)在面對(duì)一些外部干擾，如射頻干擾或者快速電脈沖群干擾時(shí)，非常容易造成兩個(gè)系統(tǒng)之間的控制失效，或者通訊誤碼。面對(duì)這樣的情況，隔離電路是一個(gè)很好的解決方案，它可以用很低的成本來(lái)解決通訊的干擾問(wèn)題。甚至同一個(gè)電路板之間，功率部分對(duì)控制單元的干擾也可以利用隔離電路來(lái)增強(qiáng)其穩(wěn)定性。
而在“電光 - 光電”隔離器件中，我們一般選用光耦隔離器件，光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。隔離電路的主要目的，是將兩個(gè)系統(tǒng)之間的電氣連接關(guān)系通過(guò)“電光 - 光電”轉(zhuǎn)換器件，或者“電磁 - 磁電”轉(zhuǎn)換器件來(lái)切斷。所謂電氣系統(tǒng)的切斷，即不僅指控制信號(hào)的隔離，同樣也是指兩個(gè)部分的“地”信號(hào)完完全全隔離開(kāi)來(lái)。這樣的話，兩個(gè)電路之間就沒(méi)有了直接存在的電氣關(guān)系，因而兩個(gè)系統(tǒng)之間的射頻輻射或者傳導(dǎo)輻射也無(wú)法互相干擾，從而起到了抗干擾的目的。
圖 1 長(zhǎng)距離通訊光耦隔離
隔離電路的實(shí)現(xiàn)
一般最常用也最便宜的光耦合器器件，光耦合器（optical coupler，縮寫(xiě)為 OC）也稱(chēng)光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。它是以光為中間媒介來(lái)傳輸電信號(hào)的器件，它通常把發(fā)光二極管（紅外線發(fā)光二極管 LED）與光敏器件（光敏半導(dǎo)體管，光敏電阻）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加載電信號(hào)時(shí)發(fā)光側(cè)的發(fā)光二極管發(fā)出光線，通過(guò)內(nèi)部的光傳導(dǎo)介質(zhì)傳送至受光器，受光器件在接受到發(fā)射器傳來(lái)的光信號(hào)之后就能產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”控制。光電耦合器具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。
圖 26N138 光耦實(shí)物圖
圖 3 常用的光耦符號(hào)
日常使用中，最常用也最便宜的光耦為“xx817”光耦，很多廠家都有生產(chǎn)其兼容產(chǎn)品的光耦，其中最著名的兩家就是夏普的 PC817 以及億光的 EL817。每個(gè) 817 系列的光耦又分成 ABCD 四個(gè)檔次，當(dāng)然現(xiàn)在光耦產(chǎn)品越來(lái)越成熟，已經(jīng)完全不止這四個(gè)等級(jí)了。
圖 4 XX817 系列光耦等級(jí)
這四個(gè)等級(jí)反應(yīng)了光耦在日常使用時(shí)的 CTR 值的大小，光耦合器的電流傳輸比（CTR）是發(fā)光管的電流和光敏三極管的電流比的最小值。光耦合器的電流傳輸比合理的范圍為 50%~200%。當(dāng) CTR<< span="">50%時(shí)，光耦中的發(fā)光二極管需要接入較大的電流才能使其工作，這樣的話會(huì)增加控制系統(tǒng)控制光耦的功耗，造成較大的發(fā)熱。若 CTR>200%時(shí)，光耦就會(huì)變得非常靈敏，電路啟動(dòng)或者負(fù)載突變時(shí)造成的電源波動(dòng)很可能會(huì)造成光耦的誤觸發(fā)，所以在選用光耦時(shí)，一定要注意這個(gè)參數(shù)。
接下來(lái)看一下 817 光耦的電流電壓曲線。
圖 5XX817 光耦電流電壓特性曲線
從 817 光耦的“If-Vce”曲線中，我們可以看出其和三極管具有相似的電流電壓曲線，同樣地，如果我們只用光耦作數(shù)字信號(hào)隔離的時(shí)候，僅僅只需要讓光耦工作在非線性區(qū)即可。
以下的電路即為光耦隔離的常用電路，當(dāng) MCU-PIN 輸出低電平時(shí)，U1 的發(fā)光二極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管就發(fā)光，輸出測(cè)的光敏三極管就導(dǎo)通，而此時(shí) Q1 導(dǎo)通，繼電器吸合。當(dāng) MCU-PIN 為高電平時(shí)，U1 的發(fā)光二極管不導(dǎo)通，發(fā)光二極管就不發(fā)光，輸出測(cè)的光敏三極管就導(dǎo)通，而此時(shí) Q1 截至，繼電器斷開(kāi)。
圖 6 光耦驅(qū)動(dòng)繼電器電路
上面這個(gè)電路在以前一些工藝比較粗糙的單片機(jī)上面其實(shí)完全是可以的，因?yàn)槔缱钤绲?DIP40 封裝的 51 單片機(jī)最大吸入電流可以達(dá)到 10mA 左右，這個(gè)電流足以讓光耦打開(kāi)。但是現(xiàn)在一些比較新式的單片機(jī)如果這樣接，可能會(huì)造成芯片溫度過(guò)高的情況，這是因?yàn)槿龢O管的 If 電流全部都流經(jīng)單片機(jī)到地了，而現(xiàn)在的新式單片機(jī)制程工藝比較先進(jìn)，溝道窄，無(wú)法吸入比較大的電流，因此，我們建議在光耦的控制端再加一個(gè)三極管去控制。
圖 7MCU 驅(qū)動(dòng)光耦
這樣僅僅依靠單片機(jī)的正常輸出電流，就可以控制光耦的通斷了。
以上是信號(hào)合理電路的實(shí)現(xiàn)，但是還有一個(gè)比較重要的是，要實(shí)現(xiàn)完全的電氣隔離，單單信號(hào)隔離是不完整的，控制部分與驅(qū)動(dòng)部分的電源和地也需要通過(guò)隔離芯片完全隔離。
在選用光耦時(shí)，特別是在用光耦隔離一些有頻率的信號(hào)時(shí)，一定要注意光耦的轉(zhuǎn)換頻率。
圖 8 光耦的轉(zhuǎn)換頻率
比如這個(gè) 817 光耦，其轉(zhuǎn)換頻率為 80kHz，且它的 VCE 輸出 5V 時(shí)，最大的輸出驅(qū)動(dòng)電流 Ic 為 2mA，這個(gè)電流顯然是很難驅(qū)動(dòng)一些外設(shè)的，因此，我們?cè)谶x用光耦的時(shí)候，要考慮 需要輸出的電流和頻率。如果一定要對(duì)一些高頻信號(hào)隔離時(shí)，要選用特定的高速光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)。
除了 817 之外，還有一個(gè)應(yīng)用非常廣泛的光耦就是 TLP521，它的用法和 817 系列的光耦用法大致類(lèi)似，這里就不再細(xì)說(shuō)了。
除了光電耦合器件之外，還有一種磁隔離芯片也能達(dá)到電氣隔離的作用。關(guān)于磁隔離芯片和光耦的爬電距離和絕緣電壓，我們下篇文章再說(shuō)。
