光電耦合器的電流傳輸比參數(shù)測(cè)試設(shè)計(jì)

劉 杰

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

光電耦合器作為一種光電隔離的器件,主要由三部分組成，發(fā)光器件、光接收器件以及兩者之間的耐電壓擊穿能力強(qiáng)的電介質(zhì)透明絕緣材料。通常發(fā)光器件為紅外LED，光接收器件為光控晶閘管或光敏三級(jí)管。當(dāng)有電流流入發(fā)光元件LED時(shí)會(huì)使LED燈發(fā)光，光透過透明絕緣材料被光接收器件接收后產(chǎn)生電流輸出，從而實(shí)現(xiàn)以光為媒介電信號(hào)的隔離傳輸[1]。由于它以光的形式傳輸直流或交流信號(hào)，所以具有較強(qiáng)的抗EMI干擾特性和電流電壓隔離能力。因此，光電耦合器被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電路、級(jí)間耦合、電氣隔離、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)?。本文從變頻空調(diào)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，介紹了光耦主要參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種電流傳輸比的測(cè)試方法。

1 光電耦合器參數(shù)介紹及在空調(diào)器中的應(yīng)用

光電耦合器具有體積小、無觸點(diǎn)、寬工作溫度、輸入輸出電隔離、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)[2]。光電耦合器的發(fā)光器件引腳為信號(hào)的輸入端，光接收器件為信號(hào)的輸出端，輸入端的電信號(hào)使得發(fā)光器件發(fā)光，光接收器件受到光照后在光敏效應(yīng)下產(chǎn)生電流輸出。常見通用型光耦的內(nèi)部電路如圖1所示。其中光電耦合器的重要參數(shù)電流傳輸比（CTR），通常用直流電流傳輸比來表示,在輸出管的工作電壓保持恒定時(shí)，它等于集電極電流與正向電流的百分比，即。以PC817X2NIP0F型號(hào)為例，其電流傳輸比允許范圍為（130～300）%，當(dāng)CTR較小時(shí)需要較大的正向電流才能正?？刂普伎毡龋^大的正向電流會(huì)增大光耦功耗,而CTR較大時(shí)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)容易誤觸發(fā)[3]。所以CTR參數(shù)的選擇在光電耦合器的應(yīng)用中非常重要，見表1。

表1 光電耦合器PC817X2NIP0F的主要參數(shù)

圖1 通用型光耦的內(nèi)部電路

在變頻空調(diào)器的電控設(shè)計(jì)中室內(nèi)外機(jī)之間不共地，信號(hào)傳輸時(shí)需要隔離。所以就采用了四顆PC817光電耦合器進(jìn)行信號(hào)的隔離。由于使用的PC817電流傳輸比CRT不高，首先需要用三極管放大輸入電流以便提高輸出電流能力。

采用串行通訊標(biāo)準(zhǔn)通訊的室內(nèi)外機(jī)，發(fā)送、接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖铋L(zhǎng)距離取決于傳輸?shù)碾姎庑阅芎蛡魉退俾?。根?jù)RS232C標(biāo)準(zhǔn)，在源碼畸變4 %下，最大傳輸距離為15.24 m。實(shí)際應(yīng)用中，家用空調(diào)器室內(nèi)外機(jī)的通訊連接線較短，一般為（2.5～4）m，而多聯(lián)機(jī)的通訊線長(zhǎng)則可能大于15 m。根據(jù)串行通訊中標(biāo)準(zhǔn)脈寬的10/16以上才認(rèn)為有效，因此一定要保證CRT在極小偏差130 %下，接收端單個(gè)bit高低電平寬度要在發(fā)送端單個(gè)bit高低電平寬度的10/16以上。以1 200 bps為例，標(biāo)準(zhǔn)脈寬是833 us，則最小高低電平脈寬是521 us。實(shí)驗(yàn)用樣機(jī)的的通訊速率為1 200 bps，各種工況下測(cè)試接收端單個(gè)bit的高低電平最小寬度為546 us，符合應(yīng)用要求。

在變頻空調(diào)器室內(nèi)外機(jī)通訊傳輸中為提高通訊質(zhì)量，采用光電耦合器PC817對(duì)內(nèi)外機(jī)的接收、發(fā)送進(jìn)行電氣隔離，可有效抑制地線干擾、減少交流阻抗、增大傳輸電流。其次，在環(huán)境溫度大于40 ℃的高溫工況下光耦CTR會(huì)進(jìn)一步變小，需確保CRT在極小限偏差130 %時(shí)通訊不丟包、不畸變。

2 典型電流傳輸比參數(shù)測(cè)試方法分析

傳統(tǒng)電流傳輸比測(cè)試方法：在光耦的兩側(cè)分別接可調(diào)電阻、可調(diào)直流電源和電流表，改變電阻值和電壓大小來改變光耦兩側(cè)電流值大小，通過電流表測(cè)量光耦兩側(cè)的電流值，然后計(jì)算光耦的電流傳輸比，如圖2。

圖2 現(xiàn)有光耦電流傳輸比測(cè)試電路示意圖

這種方法直接測(cè)量輸入輸出電流值確實(shí)能夠測(cè)試光耦的電流傳輸比，但是存在測(cè)試誤差、計(jì)算誤差、測(cè)試不夠精確等不足；使用兩塊電流表表頭使得測(cè)試成本較高；人工調(diào)節(jié)電壓及電阻值而沒有保護(hù)功能，可能造成測(cè)試過程中對(duì)芯片的損傷，而且效率較低，不適用于大批量光耦電流傳輸比測(cè)試工作。一般的，電流傳輸比的測(cè)試條件為保持輸出電壓固定為5 V，正向輸入電流調(diào)整為5 mA左右。

3 新型電流傳輸比參數(shù)測(cè)試設(shè)計(jì)

對(duì)比傳統(tǒng)測(cè)試方法設(shè)計(jì)了一種新型的光耦電流傳輸比智能測(cè)試裝置，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示：主要包括芯片接口、測(cè)試電路、采樣電路、微控制器、顯示模塊和供電模塊。其中芯片接口為測(cè)試裝置與待測(cè)光電耦合器芯片的接口部分，可依據(jù)光電耦合器的封裝形式設(shè)計(jì)貼片或插件接口；測(cè)試電路負(fù)責(zé)改變輸入輸出電壓或電阻值，調(diào)整光耦兩側(cè)的電流值；采樣電路負(fù)責(zé)精確地檢測(cè)光耦兩側(cè)電流值的大??；微控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收、處理及發(fā)送，根據(jù)采樣模塊檢測(cè)得到的電流值，計(jì)算得到光耦的電流傳輸比，并實(shí)時(shí)的傳送給顯示模塊，而且能夠根據(jù)電流值的大小控制供電模塊的開關(guān)以保護(hù)光耦芯片；顯示模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的顯示光耦的電流傳輸比；供電模塊負(fù)責(zé)向各模塊提供正確的電壓，響應(yīng)主控制器的保護(hù)信號(hào)。

圖3 新型光耦電流傳輸比測(cè)試裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

測(cè)試及采樣電路如圖4所示，測(cè)試電路由可調(diào)電阻R2、R3和穩(wěn)壓電源V1、V2組成，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻阻值的大小或電源電壓，可以改變光耦兩側(cè)的輸入電流和輸出電流；采樣電路由采樣電阻R1和R4、放大器U1-A和U2-A、分壓電阻、濾波RC等組成，輸入、輸出電流流經(jīng)采樣電阻產(chǎn)生壓降，此壓降經(jīng)過分壓電阻輸入到放大器正、負(fù)極，經(jīng)過放大器產(chǎn)生電壓信號(hào)并輸入到微控制器，微控制器結(jié)合采樣電阻大小，計(jì)算得到電流值。

為避免誤操作或電路故障導(dǎo)致輸入電流超出正向峰值電流IFP或輸出電壓超出反向擊穿電壓損壞被測(cè)光耦芯片。顧當(dāng)檢測(cè)到輸入電流值超出設(shè)定閥值時(shí)，微控制器產(chǎn)生保護(hù)控制信號(hào)，控制斷開電壓源保護(hù)光耦芯片。

圖4中，光耦的輸入電壓UIS1和輸入電流IIS1滿足如下（1）～（4）關(guān)系式：

圖4 新型光耦電流傳輸比測(cè)試裝置電路

式中：

U1-A-—運(yùn)算放大器U1-A負(fù)極的電壓；

U1-A+—運(yùn)算放大器U1-A正極的電壓；

U1-Aout—運(yùn)算放大器U1-A輸出端的電壓。

光耦的輸出電壓UIS2和輸出電流IIS2滿足如下（5）～（8）關(guān)系式：

式中：

U2-A-—運(yùn)算放大器U2-A負(fù)極的電壓；

U2-A+—運(yùn)算放大器U2-A正極的電壓；

U2-Aout—運(yùn)算放大器U2-A輸出端的電壓。

測(cè)試電路中可調(diào)電阻阻值的調(diào)節(jié)即可采用手動(dòng)方式，也可以通過微控制器控制自動(dòng)調(diào)節(jié)，如圖5所示。無論采用哪種調(diào)節(jié)方式，微控制器都能夠根據(jù)電流值大小判斷是否產(chǎn)生光耦保護(hù)信號(hào)。微控制器檢測(cè)到光耦兩側(cè)電流，首先判斷光耦性能的好壞，然后調(diào)節(jié)可調(diào)電阻阻值產(chǎn)生不同的輸入、輸出電流，然后計(jì)算電流傳輸比并通過顯示器實(shí)時(shí)顯示。

圖5 供電電壓可調(diào)的測(cè)試電路示意圖

4 結(jié)束語

本文介紹了光電耦合器的主要參數(shù)，在空調(diào)器室內(nèi)外機(jī)通訊中的應(yīng)用，分析了電流傳輸比參數(shù)的傳統(tǒng)測(cè)試方法的缺點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化測(cè)試方法。此方法提高了光耦電流傳輸比的測(cè)試效率和測(cè)試精度，并降低了測(cè)試成本，適用于大批量光耦電流傳輸比測(cè)試工作。