光電耦合器在控制系統中的應用研究

（廣東海洋大學，廣東 湛 江 5 24088）

在工業控制技術中，機械分系統和控制系統是通過接口實現有機統一的。在接口技術中，強電和弱電的電氣隔離，是接口設計一個非常重要的環節。

傳統的繼電接觸器控制,采用的是固定接線方式，一旦生產過程有所變動，就得重新設計線路連接安裝，不利于產品的更新換代[1]。隨著計算機技術的發展，單片機和PLC控制技術,逐漸取代了傳統的繼電接觸器硬接線控制，日益成為工業控制技術的主流，是典型的機電一體化技術應用。在單片機和PLC控制過程中，機械分系統和控制系統是通過接口來實現物質、能量和信息的傳遞和交換的[2]。在接口設計中，光電耦合器經常用來提高系統的抗干擾能力及保證系統安全穩定的工作，是非常重要的一種元件。

1 光電耦合器結構和原理

光電耦合器是把發光二極管和光敏晶體管或光敏晶閘管等光傳感器等封裝在一起，通過光信號，實現電信號傳遞的器件。由于光電耦合器輸入與輸出之間，沒有直接的電氣聯系，電信號是通過光信號傳遞的，所以也稱光電隔離器。光電耦合器的結構和符號如圖1所示。

圖1 光電耦合器的結構和符號

光電耦合器是由發光源和受光器兩部分組成，并由不透明材料封裝在一起。發光源引出的管腳為輸入端，受光器引出的管腳為輸出端。當在輸入端加正向電壓時，發光二極管點亮，照射光敏晶體管（或晶閘管）使之導通，產生輸出信號。

2 光電耦合器技術參數及術語

（1）電流傳輸比CTR。是指光電晶體管的集電極電流IC與發光二極管的電流If之比。

不同結構的光電耦合器，電流傳輸比相差很大，例如輸出端是單個晶體管的光電耦合器4N25的電流傳輸比CTR≥20%，而輸出端使用達林頓管的光電耦合器4N33的電流傳輸比CTR≥500%。

（2）時間延遲。是指光電耦合器在傳輸脈沖信號時，輸出信號與輸入信號間的延遲時間。

（3）正向壓降。光電耦合器正向壓降為1.5 V左右。

（4）飽和壓降 UCES。光電耦合器飽和壓降UCES為0.4 V左右。

（5）最大正向電流IFM。光電耦合器最大正向電流IFM的范圍為50～70 mA。

3 光電耦合器在控制系統中的隔離作用

在工業控制領域中，控制系統不僅要對被控對象進行檢監測，輸入被控系統的開關量和模擬量，而且還要把經過處理后的信息，以開關量和模擬量形式輸出，并控制被控系統工作。這些開關量和模擬量本身，往往就是強電系統。強電控制電路必將會對控制系統產生干擾，嚴重時會對控制系統產生致命性摧毀。因此，強電和弱電的電氣隔離，是接口設計中一個非常重要的環節[3]。

光電耦合器的信號傳遞采取電-光-電形式，發光部分和受光部部分不接觸，因此其絕緣電阻可高達1010Ω以上，并能承受2 000 V以上的高壓。被耦合的兩個部分可以自成系統不“共地”，能夠實現電控系統強電部分與弱電部分隔離，避免干擾由輸出通道竄入控制微機。可見，光電耦合器在控制系統中，是完全可以用來隔離強電部分與弱電部分的元件。

在控制系統中，電氣隔離通常分為對開關量的輸入/輸出隔離和對模擬量輸入/輸出的隔離。

3.1 采用光電耦合器對開關量輸出和模擬量輸出的隔離

控制現場電器的通/斷，是通過開關量輸出通道進行控制的。如電器的啟/停、繼電器的通/斷、電磁閥的吸合/釋放，甚至步進電機的步進脈沖等，這些都是以開關量的形式表現出來的，都可以用數字1或0表示。開光量輸出通道，一般是一條端口線控制一路電器。由于現場電器通斷時，會產生強烈的干擾，所以從端口線輸出的開關量都需要電氣隔離[4]。

在控制系統控制開關輸出電路時，通常把開關量鎖存在鎖存器中，然后在鎖存器和開關量輸出電路之間，放置隔離電路。隔離電路除了消除開關量輸出電路在控制動力設備啟停時所產生的沖擊干擾，還避免了強電竄入控制系統而對控制系統造成毀壞。隔離電路通常分為繼電器隔離和光電耦合器隔離兩類。

繼電器隔離，適用于啟動負荷大響應速度慢的動力設備，因為繼電器觸點的負載能力大，能直接控制強電動力電路。

光電耦合器隔離的響應速度非常快，作為開關應用時，具有耐用、可靠性高等優點，響應時間一般為數微秒以內，高速型光電耦合器的響應時間，有的甚至小于10 ns。

光電耦合器種類很多，目前常用的光電耦合器有TLP521系列和4N系列等。其類型有發光二極管/光晶體管、發光二極管/復合晶體管、發光二極管/光電阻器、發光二極管/光晶閘管等，原理電路圖如圖2所示。這些器件不僅可以用于電路間的聯接，而且不受接觸振動、電氣噪聲和電動機械配合部分因磨損引起干擾的影響。

圖2 光電耦合器類型

開關量輸出常見的受控對象有電磁閥、繼電器、步進電機等。

控制功率較大設備如電機時，除了采用光電耦合器隔離外，往往還要根據實際情況和外圍驅動器聯合使用。國內有CJ系列外圍驅動器可供選擇，國外有SN系列外圍驅動器可供選擇。有時和放大器聯合使用，也可獲得合理驅動電流。

圖3是用8031單片機通過光電耦合器控制步進電機的接口電路，其中7407為同相驅動器，4N25為發光二極管/光晶體管型光電耦合器。當803的P1.0端輸出高電平時，光電耦合器輸入端為0，則輸出開路，晶體管VT1不導通，步進電動機繞組兩端無電壓；當P1.0輸出低電平時，4N25的輸入電流為10 mA，4N25的電流傳輸比CTR≥20%，輸出端可以流過大于2 mA的電流，再經過晶體管放大，產生驅動步進電動機所需電流。

圖3中，輸入部分與輸出部分采用兩套互相獨立的電源，且不共地，沒有電氣聯系，從而實現了電氣隔離。

圖3 8031單片機通過光電耦合器控制步進電機的接口電路

單片機的控制輸出，除了和開關量有關之外，還與模擬量有關。與模擬量有關的控制輸出經過模擬量輸出通道，同樣要經過隔離，才能進行D/A轉換、驅動，作用于執行機構。

3.2 采用光電耦合器對開關量輸入和模擬量輸入的隔離

被控對象的一些開關狀態，可以經開關量輸入通道輸入到控制系統，如電器的啟動和停止、電磁鐵的吸合和斷開、光路的通和斷等。但是，控制現場這些開關狀態一般都不能直接接入單片機控制系統。原因有兩點：

一方面，現場開關量一般不是TTL電平，需要將不同的電平轉化成單片機所需的TTL電平，該過程稱為電平匹配；

另一方面，即使現場開關量符合TTL電平需要，由于來自現場的干擾嚴重，一般也需將控制系統與現場電氣隔離，避免現場電氣對控制系統的干擾。

可見，電氣隔離仍然是非常重要的一個環節。

圖4為采用光電耦合器隔離的開關量輸入原理。

圖4 用光電耦合器隔離開關量輸入原理

當系統端口有未用的端口線時，可以簡單地將光電耦合器的輸出端，直接接到系統端口線上，如圖4所示，直接接到P1.0上。當端口線全部被占用，可用74系列門電路擴展并行輸入口。開關的通斷一般要有去抖措施，可用硬件電路實現，也可用軟件延時的辦法實現。

和開關量輸入一樣，控制系統在輸入模擬量時，也必須采用光電耦合器進行隔離。

控制現場非電物理量，經過傳感器轉換成模擬電量，再經過電路轉換一定形式的模擬電量輸給A/D轉換器件，將模擬量轉換成數字量，然后再通過光電耦合器送給CPU。

4 結束語

通過實踐證明，采用光電耦合器進行強電和弱電的電氣隔離，是一種行之有效的方法，不僅安全可靠，而且價格低廉。此外，采用了高耐壓光電耦合器的固態繼電器，有逐步取代傳統繼電器之勢[5]。可見，光電耦合器在控制系統中，是非常重要的元件，必將得到越來越多的發展和應用。

[1]常斗南.可編程序控制器[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]鄭 堤，唐可洪.機電一體化設計基礎[M].北京：機械工業出版社，2002.

[3]胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].北京：清華大學出版社，1998.

[4]傅揚烈，俞光昀.單片機原理與應用教程[M].北京：電子工業出版社，2002.

[5]林明星.電氣控制及可編程序控制器[M].北京：機械工業出版社，2004.