光电耦合技术
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光电耦合技术范文第1篇
1 概述
现在，越来越多的产品向高速化、小型化、便携式、低功耗方向发展，电源电压仅有3.3V甚至更低的系统也正在蓬勃发展中，作为信号隔离的关系器件——光电耦合器，也必须使用相应的产品与之相适应。美国安捷伦科技有限公司（Agilent Technologies）生产的HCPL-262L/060L是与LVTTL/LVCMOS兼容的高速数字电耦合器，其速度可达15MBd。该器件的输入端是GaAsP材料LED，输出端是高增益信电极开路肖特基钳位晶体管，该器件同时具有输出使能控制。它的内部屏蔽结构可保证最小5kV/μs的共模瞬态抗扰度。HCPL-262L/060L可广泛应用于高速数字逻辑接口、计算机外设接口、输入/输出缓存、A/D，D/A转换数字隔离、线路接收器以及开关电源等方面。HCPL-260L/060L的主要特点如下：
*低功耗；
*速率高达15MBd；
*输入电流可低至5mA；
*电源电压范围为2.7～3.3V；
*带选通输出功能；
*扇出系数为5个TTL负载；
*可在-40℃～85℃温度范围内无故障运行；
*已通过UL，CSA，VDE0884安全认证；
*HCPL-260L使用8脚DIP封装；HCPL-060L使用SO-8封装。
2 引脚功能及内部结构
图1是HCPL-260L/060L的引脚及内部结构图，表1为其引脚功能说明，表2为正逻辑真值表。
表1 引脚名称及功能说明
引脚号引脚名称功 能1NC空引脚2ANODE输入正3CATHODE输入负4NC空引脚5GND地6VO（OUTPUT）输出7VE（ENABLE）输出使能8VCC电源表2 真值表
LEDENABLEOUTPUTONHLLHNCLOFFHHLHNCH3 应用设计
3.1 使用条件
为了保证器件可靠，使用时应按照表3所列条件进行设计。
表3 HCPL-260L/060L的使用条件
名 称符 号最小值最大值单 位使用温度TA-4085℃输入关态电流IFL0250μA输入开态电流IFH520mA电源电压VCC2.73.3V低电平使能电压VEL00.8V高电平使能电压VEH2.0VccV输出端上拉电阻RL3304kΩ3.2 LVTTL接口电路
图2是HCPL-260L/060L和LVTTL器件的典型接口电路。图中，如果前级LVTTL器件是集电极开路输出，则二极管1N4148可不用。
3.3 隔离的3.3V RS232接口电路
图3所示的RS232接口电路的信号传输速度可达15MBd，为了保证该电路具有较好的共模抑制特性，HCPL-260L/060L的LED驱动电流至少应为5mA，并应将第7脚VE接至第8脚Vcc。另外，DS14C335应使用另一组电源供电。其中C1、C2为0.1μF，R1～R4的参数可由表3中的参数决定。
图3 隔离的3.3V RS232接口电路
光电耦合技术范文第2篇
关键词：单片机测控系统；电气隔离技术；隔离电路
引言：电气隔离主要是为了促进控制信号的有效联系，并且实现电气间的隔绝，在此基础上，测控系统的工作具有了一定的稳定性，同时相关的设备与人员的安全也得到了可靠的保障。通过电气隔离技术的运用，电路上的干扰部分与干扰源实现了有效的隔离，最终实现了现场干扰隔离目标的达成。在单片机测控系统中，对其干扰最为严重的部分为强电控制电路，直接影响着控制系统工作的有序性，为了实现干扰的有效消除，本文阐述了相应的隔离技术。
1、隔离电路的概况
1.1隔离电路的作用
电路隔离主要是实现了系统与信号二者间的隔离，其中的系统隔离主要是借助光实现的，将其作为联系信号实现了电路中两个没有公共参考点的联系，在此基础上，实现了系统的隔离，此时的隔离体现在了电气的特性；信号隔离主要是借助光电转换的特性实现的，在光电转换电路中，各个信号具有一定的独立性，信号间缺少联系与影响，进而实现了信号的隔离。
系统隔离要对系统两端的电压给予考虑，主要是由于两端的电压可能存在较大的差异，如：系统两端分别为低电压电子系统与高电压系统。在光电隔离后，两个系统的连接是借助光信号实现的，进而系统间的电流通道被切断，此时的系统隔离为电气隔离。光电隔离的电路便可以称之为光电隔离电路。信号隔离时，系统中可以具备统一的电位参考点，但在两个电路间的信号传输要借助光电隔离法，在此基础上，两个电路间未能实现电路的直接连接。
信号隔离主要的目的便是切断干扰通道，此后，测控装置和测控系统二者间的联系是通过信号实现的，未出现电的联系。此时的隔离方法主要有继电器隔离、光电隔离、脉冲变压器隔离与布线隔离等。
1.2在开关量输出方面
关于单片机测控系统而言，其中控制动力设备启停时受到一定的干扰，此时的干扰为冲激干扰主要源于开关量输出电路，对此干扰的解决方法可以为光电隔离，也可以为继电器隔离。第一种方法主要适用于启停负荷较少的设备，第二种方法主要适用于负荷较大的设备，此时的继电器触点负载能力与光电耦合器的负载能力相比，前者相对较大，在此基础上，强电动力回路被控制，在开关量输出电路中利用继电器，进而实现了干扰的有效消除。
继电器隔离工作的原理如下：如果断路器打开，而断路器辅助触点闭合，此时，直流电源在辅助触点的作用下，使继电器线圈带电，在此基础上，继电器的对应触点则为闭合状态。如果断路器闭合，而断路器辅助触点打开，此时，直流电源在辅助触点的作用下，使继电器线圈失电，在此基础上，继电器的对应触点则为打开状态[1]。
光电隔离作为隔离方式的一种，它的使用具有广泛性与普遍性，其核心部件为光敏晶体管，其他部件与继电器隔离电路具有相似性。光电隔离工作的原理如下：如果断路器打开，而断路器辅助触点闭合，此时，直流电源在辅助触点的作用下，导通了二级管使其发光，在此基础上，促进了光敏晶体管导通；如果断路器闭合，而断路器辅助触点打开，此时，直流电源在辅助触点的作用下，二极管失电，光敏晶体管也未能导通。此时的光耦合器具有较快的响应速度与较小的体积，它基本不受电磁的干扰，因此，光电隔离方法具有一定的有效性与合理性。
1.3在模拟量输入方面
隔离电路的目标是为了减少噪声对系统的干扰，在此过程中，主要是借助隔离元器件实现的噪声干扰抑制。单片机测控系统电气隔离主要有模拟电路隔离与数字电路隔离等，其具体的隔离方法有继电器隔离法、光点耦合器隔离法、光纤隔离阀与直流电压隔离法等。模拟量输入也可以称之为光电隔离输入，它实现了对控制动作状态的反馈，此时的反馈主要为电信号或者机械触电的闭合与断开形式。此时的光电隔离电路主要为光电耦合隔离电路。
光电耦合隔离电路主要是借助光实现的信号传输，此时的传输媒体未利用电压或者电流，该特征显示光电耦合隔离电路在使用或者设计过程中不需要对阻抗配合问题进行考虑，此时的问题主要由于电路连接造成的，此时的隔离电路使用、设计仅需要关注输入与输出的阻抗即可[2]。
1.4其他隔离方法
1.4.1脉冲变压器隔离
脉冲变压器的匝数相对较少，其中的一次绕组与二次绕组分别位于铁氧体磁芯的两侧，此时的工艺使其电容分布相对较少，因此，它可以作为隔离元件符合了脉冲信号的需求。当脉冲变压器对脉冲信号进行传递时，直流分量未传递，主要是由于控制设备中使用了数字量信号，该信号对于直流分量传递的要求较少，因此，脉冲变压器隔离在测控系统中也有着较为广泛的应用。
1.4.2布线隔离
测控系统中运用的布线隔离法主要是分离了微弱信号电路和易产生噪声污染的电路，此方法在使用过程中，要求信号线路要与电源线路、强电控制线路进行分离，采取分开走线的方法，同时各个线路间要保持相应的距离。与此同时，在配线过程中，要对各个线路进行区分，如：数字信号线、交流线、直流稳压电源线与模拟信号线等。配线间隔与操作影响保持着反比例的关系，前者越大，后者越小，同时配线越短，而前者越小，则后者越大。但在实际布线过程中，由于设备的空间有限，因此，配线的间隔要保持合理性[3]。
2、电气隔离技术应用的注意事项
单片机测控系统的电气隔离技术应用过程中，要注重以下几点：
2.1延迟性
在实际工作工程中，无论是光电耦合器件，还是断电器均会出现光电或者电磁转换，此时的转换要花费一定的时间，因此，要对器件的延迟性进行考虑。
2.2反应速度
通常情况下，反应系统的速度存在差异，如果大功率系统的反应速度较慢，此时的隔离器件可以选用继电器，主要是由于其具有较大的负载能力，但不能利用光电隔离器，它的负载能力相对较少。如果系统的反应速度较快，则需要借助光电隔离器。
2.3控制动作
光电隔离输出接口主要是用于大功率系统，实现了其执行机构的驱动。在实际驱动过程中，对于每个控制动作均有一定的要求，在其执行后，要将状态信息进行传递，直至单片机接收。为了满足上述要求，在系统编程过程中，要互锁控制动作与反馈测试，在此情况下，如果动作执行后未反送信息，则不能执行下一个动作，同时动作代码的发送也具有了针对性与合理性[4]。
总结：综上所述，本文主要研究了单片机测控系统中的电气隔离技术，分析了隔离电路的概况，其中介绍了光电隔离法、信号隔离法、继电器隔离法与布线隔离法等，并且阐述了电气隔离技术应用中需要注意的事项，相信，单片机测控系统的安全性、稳定性与可靠性均会得到有效的保障。
参考文献：
[1]陆泉森，李军，鲍鸿. 光耦隔离技术在智能测控系统中的应用[J]. 机械与电子，2012，02：53-56.
[2]沈春波. 数控机床电气控制系统中的电气隔离技术[J]. 科技创新与应用，2013，01：31.
光电耦合技术范文第3篇
纳米材料与器件近年来发展迅速。一方面，材料性能日益多功能化，集成力、电、磁、热、光等多场复合效应；另一方面，材料的微观结构也变得复杂而富有层次，对其宏观性能产生深刻影响。例如，在热电材料中，界面、缺陷和量子局域效应被广泛用于提升热电优值；在钙钛矿太阳能电池中，极性电畴壁被认为给电子和空穴提供分离的高速输运通道；而在高密度磁阻存储器件中，纳米结构对磁电耦合和输运至关重要。从诸多热点领域所选取的这三个典型实例表明，发展多场复合效应的新型功能材料与器件是当今纳米科技的重要趋势，而显著的尺寸、界面和量子效应也给材料与器件的宏观性能带来深刻影响，需要在纳米尺度综合调控和定量测量。
当前，对材料微观结构的表征和宏观性能的测量已较为成熟：在显微结构上，能在原子尺度精确确定材料物相和成分；在宏观性能上，表征电、光、磁、力、热响应及其耦合也加深了人们对多场物性的理解。这些成熟的单项技术表明，在单分子及纳米层面调控并测量材料电、光、磁、力、热及其耦合响应时机已经到来，也是推动先进功能材料与器件发展的大势所趋。然而由于表征技术的限制，人们对纳米尺度多场物性的关注还不多，相关调控和测量仍处于襁褓之中。
为揭示光电、热电、磁电材料和器件的微观结构、局域响应和宏观性能的关联，分析铁电极化对光电转换的调控，界面和缺陷对热电输运的影响以及微纳结构和磁电耦合的相互作用，中国科学院深圳先进技术研究院牵头，联合华南师范大学、清华大学以及南京大学，共同承担了国家重点研发计划“纳米科技”重点专项 - 纳米尺度多场物性与输运性质测量及调控。该项目旨在发展基于多功能扫描探针的纳米测量与调控技术，在纳米尺度综合定量测量调控材料电学、光学、磁学、力学和热学多场物理及输运性质，为研究先进功能材料与器件中的关键科学问题提供强有力工具。
项目的主要研究内容分为以下四个方面：（1）发展纳米尺度多场激励调控与测量技术：通过微纳加工研发制备多功能扫描探针，结合原子力显微镜环境下宏观复合加载系统，以及宏观微观协同的跨尺度测试分析和模拟，实现纳米尺度多场物理及输运性质的综合测量与调控，为深入研究光电转换、热电输运、以及磁电耦合性能提供强有力的工具和方法。（2）研究极化调控光电转换：制备一系列材料与器件，在单分子层面，运用扫描探针定量测量极性分子在多场激励下的光电子激发、复合及输运，揭示电极化调控有机无机钙钛矿光电转换及光控开关的微观机理和失效过程，阐明微纳结构、极性和缺陷对新型太阳能电池性能的影响和调控，进而提出光电器件设计调控新方法。（3）研究纳米尺度热电输运：在微纳尺度，运用扫描探针定量测量热电材料在跨尺度多场载荷下的局域响应，揭示界面、缺陷和复合结构对热电输运的影响及其失效过程，探索磁场光场对自旋塞贝克效应的调制以及声子、光子和载流子的相互作用，阐明微纳结构和缺陷对高性能热电材料输运性质的影响，进而提出热电材料设计调控新方法。（4）多场调控磁电器件：针对磁、电、光、热、力对多铁性磁电序参量的调控及电输运的影响，运用扫描探针定量测量磁电介质在跨尺度复合载荷下的局域响应，研究单分子磁体各向异性和弛豫，揭示磁电有序及演化与微观结构的关联，特别是受缺陷的影响及其失效机理，进而提出磁电材料设计调控新方法。
项目预期将开发基于多功能扫描探针的纳米测量与调控技术，实现在纳米尺度综合调控、定量测量材料多场物理及输运性质，并以此解决先进功能材料与器件的一系列关键科学问题，进而形成一系列原创、具有自主知识产权的新思想（如宏观微观协同调控测试）、新技术（如多功能扫描探针激励和多场原子力显微样品加载）、新方法（如跨尺度实验测试、数据采集、和计算模拟）和新发现（如光电、热电、磁电多场物性和耦合新机制），推动纳米技术、高速低能耗信息处理与存储、微电子器件、高效清洁能源、以及精密仪器等产业和领域的发展。
光电耦合技术范文第4篇
【关键词】QTM系列；触发模块；应用研究
随着电力电子技术的发展，晶闸管在机电领域得到普遍应用，改变了传统的机电设备电气控制方式。晶闸管控制电路有多种，常用的包括脉冲变压器触发电路、光电耦合器驱动的触发电路和IGBT驱动的触发电路，光电耦合器驱动的触发电路和IGBT驱动的触发电路又分为随机触发电路、电压过零触发电路。
1.触发方式比较
传统的脉冲变压器触发电路，全部基于分立元件，不仅电路成本高，而且故障率也较高，在实际应用中已经逐步被淘汰，取而代之的是低成本的模块化触发电路。
利用MOC系列光电耦合器做驱动电路的触发模块应运而生，但由于光电耦合器的断态电压临界上升率参数（dv/dt）比较低（只有600V/μS），因而不可避免的会在初始上电时给晶闸管一个触发脉冲，造成晶闸管瞬间误导通。这种瞬间误导通，不仅给负载造成损害，也给电网带来电流冲击，影响电网质量，并且给晶闸管模块也带来极大的浪涌电流冲击。在工业加热、烘箱、烘房加热及无功功率补偿中电容投切的实际使用中，由于加热器在冷态电阻很小，电容器在初始状态时电阻趋近于零，会造成晶闸管模块因上电时的涌流而损坏。
QTM系列触发块是一种新型的触发电路，它采用大功率器件IGBT做驱动元件，不仅提高了驱动能力，由于IGBT的断态电压临界上升率dv/dt的极限值已经超过5000V/μs，也就避免了晶闸管模块上电时的误导通现象。下面，本文就QTM触发电路的工作机理和应用加以论述。
2.触发模块工作原理
外界控制信号加到触发块的控制端时，经过内部的光电隔离器件加到IGBT的驱动控制电路，驱动电路输出高电位并输出到IGBT的栅极，栅极的高电位驱动IGBT导通，IGBT通过电压转换电路提供的能量输出触发电流，驱动晶闸管导通。
当负载端由于某种原因出现过大的电流时，触发模块内部的保护电路会动作，使IGBT的栅极变为低电平，IGBT由导通变为截止。因此IGBT不会因为过电流而过热损坏。
当电网中出现过高的电压脉冲时，内部保护电路也会动作并泄放掉高电压，以保护IGBT不会因过电压而击穿损坏。
QTM触发电路中还设计了干扰抵制电路，以滤除电网中各种干扰脉冲，防止因干扰脉冲而使晶闸管产生误触发。
QTM触发模块采用PCB线路板直插式的焊接安装方式，具有较高的门极触发功率，能够满足普通晶闸管的触发需要；输入与输出之间采用光电隔离，输入与输出间的绝缘耐受电压不小于5300V，适用于额定电压交流380V及以下的主电路。
3.技术特性
以过零型控制产品为例，QTM触发模块与光耦驱动触发模块实际测试波形如图1和图2：
图1 QTM过零触发测试波形
图2 光耦驱动的触发模块过零触发测试波形
由图中可见，QTM系列触发模块的触发开通电压不到10V，而光电耦合器驱动的触发模块的触发开通电压达到20V以上；QTM系列触发模块的触发开通时间不到400μs，而光电耦合器驱动的触发模块的触发开通时间超过700μs。较小的开通电压、较短的开通时间，不仅减小了对负载的电流冲击，而且避免了在晶闸管模块在开通时谐波的产生，从而减小和避免了对电网质量的干扰。
4.结束语
光电耦合技术范文第5篇
【关键词】 小型测试系统 干扰 抑制
某小型测试系统主要用于模拟载机系统来实现对产品的试验，测试系统采用小型化便携式设计。由于系统体积小，使用环境复杂，导致大量干扰信号存在，这对测试系统的稳定度和精确度有直接的影响，严重时可使系统不能正常工作。因此，系统的设计、制造、使用及工作环境都需要考虑干扰的因素。
一、干扰源及形成分析
测试系统采用PC104总线的自动测试系统，由于系统用在外场试验环境，使用小型加固机箱，内部嵌入模块板卡及电源系统等，机箱空间小，系统使用的测试距离远、电源供电、地线等环境苛刻，存在着大量的干扰。通过试验及数据分析，发现干扰源主要为：
1.1电源系统干扰
干扰主要是从电源和电源线引入系统。当系统与其它负载共用电源时，会产生电源噪声，如电源过/欠压、浪涌、下陷等干扰，这些噪声会耦合到系统电路，给系统造成危害。当电源引线较长时，所产生压降及感应电势等形成噪声。系统所需的直流电源，会因净化不佳，给高精度系统带来干扰。
1.2数字电路引起的干扰
数字电路引出的直流电流虽然只有mA级，但是当电路处在高速开关时，就会形成较大的干扰。如，TTL门电路在导通状态下从直流电源引出5mA左右的电流，截止状态下则为1mA ，在Tns时间内其电流变化为ImA ，如果在配电线上具有LμH的电感，当这个门电路改变状态时，配电线上产生的噪声电压为：U=L*di/dt=L*I/T （1）
虽然这种门电路的供电电压仅为5V， 但所引起的干扰噪声将是非常严重的。
1.3长线传输干扰
信号在传输过程中容易出现延时、变形并接收干扰信号，形成传导耦合干扰。测试系统使用30米的测试电缆，因此信号彼此间干扰电压很大。导致传输信号发生畸变，产生的干扰主要有：传输线周围空间电磁场对传输线的电磁感应干扰；当两条或两条以上信号强弱不同的线靠得很近时，通过线间分布电路和互感而形成的线间干扰。
1）容性（电场）耦合干扰
当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时，干扰源与信号电路之间就存在容性（电场） 耦合，这时干扰电压线电容耦合到信号电路，形成干扰源。对于平行导线，由于分布电容大，容性耦合较严重。在图1a中，导线1和2是两条平行线， C1和C2分别是各线对地的分布电容，C12是两线间分布的耦合电容，V1是导线1对地电压，R是导线2对地电阻。由图1b等效电路可得，导线1电压通过耦合导线2上产生的电压V2为：V2=jωC12RV1/[1+jω（C12+C2）R] （2）
当R>>1+jω（C12+C2）时，式（2）可简化为：V2=C12V1/（C12+C2） （3）
当R
由式（2）、（3）、（4）可知，容性耦合干扰随着耦合电容的增大而增大。
2）感性（磁性）耦合干扰
当干扰源以电流形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。图2是互感耦合示意图，两邻近导线之间存在分布互感M，M=Ф/I1（其中，I1是流过导线1的电流，Ф是电流I2产生的与导线2交线的磁通），由互感耦合在导线2上形成的互感电压为V2=2ωMI1，此电压在导线上是串联的。从式中可知V2与干扰的频率和互感量成正比。
1.4地线干扰
该测试系统电路复杂，系统中有数字地、模拟地、机壳等，而模拟地又可分为直流地和交流地。当各部分电路的电流均流过公共地线时，会在其上产生压降，形成噪声干扰。这种情况在数字电路和模拟电路共地时非常明显。通常，数字系统的入地电流比模拟系统大得多，并且有较大波动噪音。即使系统接地电阻很小，数字电路也会在其两端形成较高电压，使模拟系统的接地电压不能为零。
二、硬件抗干扰措施
2.1电源滤波电路
电源滤波电路可以防止输入电压的高频脉冲干扰，为设备内的AC/DC变换提供干净的电源，使DC输出电压稳定。同时，该电路可以防止设备中的电磁干扰通过电源线传到电网上，防止电磁干扰进入电网的其他设备。电路如图3所示：
在电路的设计中，C1的选用原则：
1）耐压高于最大输出电压的50%以上；
2）C1=1/F，F为系统的频率。滤波电容的选用原则：C≥2.5T/R；T为系统频率，R为负载电阻，一般使用中选择C≥5T/R。
2.2隔离与耦合措施
1）光电隔离与耦合
测试系统的接口，用数字式光电隔离器进行隔离，以切断公共阻抗环路，避免长线感应和共模干扰。较长时间的信号传输线可采用屏蔽与光电耦合配合使用的方法。
2）放大器隔离
测试系统中的放大电路易受共模干扰的影响，对此，前级放大电路之间可采用光电耦合进行隔离。采用两个耦合器组成互补形式，可以改善放大电路的线性度，减少温度影响。
2.3传输导线抗干扰措施
1）传输导线的选择
信号频率在100kHz以下采用双绞线传输，频率超过100kHz信号传输采用同轴电缆。双绞线对电容耦合的电场噪声几乎没有抑制作用，但对磁场的耦合噪声的抑制能力很强。同轴电缆的阻抗在高频下保持基本恒定，但同轴电缆不能用于低于10kHz的低频信号传输。
2）传输导线的屏蔽
对于长距离导线，采取屏蔽措施，提高信号传输的可靠性。为实现最佳的磁场屏蔽作用，电路的一端与地隔离。为减小屏蔽层噪声电流，低频信号线缆的屏蔽层采用单点接地。如果仅有信号源接地，屏蔽层接地点在信号源端。如果仅有负载端接地，屏蔽层接地点在负载端。高频信号的屏蔽层采用多点接地设计，为确保屏蔽线缆的良好接地，每十分之一信号波长加一个屏蔽层接地点，可通过一个小电容将屏蔽层接地。
三、软件抗干扰措施
软件抗干扰措施是系统抗干扰的一个非常重要方面，软件的抗干扰性能差，会导致系统死机或程序跑飞等现象。为此，在软件设计中采取了几种抗干扰措施：
3.1跟踪监视定时器技术
当系统受到干扰时，有时嵌入式处理器的设置值会被改变，导致程序跑飞，盲目运行或进入死循环。采用设置跟踪监视定时器，在程序失控的状态下，将跑飞的处理器指针“俘获”并强行拉回到一个处理该故障的程序中，恢复被破坏的现场，回到受干扰之前的地址，使程序正常运行。
跟踪监视定时器技术利用定时器中断功能来监视程序的运行状态。
3.2数字滤波技术
进行实时数据采集时，为了消除传感通道中的干扰信号，利用算术平均值法、FIR数字滤波算法实现软件滤波效果，减少系统的随机干扰对采样结果的影响。
