光藕的工作原理

1、华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书集学科优势 #-求改革创新集学科优势 -求改革创新实验四十四光耦器件及其它隔离检测器件的应用（信号与系统电力电子学检测技术综合实验）一、实验原理光耦器件及原理光电耦合器（简称光耦）是以光为媒介把输入端信号耦合到输出端，来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内，将它们的光路耦合在一起，当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电光电”转换。输入和输出之间不共地，因此广泛地应用于需要信号隔离的电路中。由于它具有体积小、寿命长、

2、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号，传输信号的频率高等优点，在电路上获得了广泛的应用。华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书集学科优势 #-求改革创新集学科优势 #-求改革创新光电耦合器在传输信号的原理上与隔离变压器相同，但隔离变压器是依靠磁场的变化将信号或能量传递到副边的，通常只能传递一定频率的交变信号；而光耦器件则是利用光路完成信息的传递，只要原边的发光二极管上有一定强度的电流流过（交流或直流），就能通过光路将信息传递到副边的光敏二极管/三极管，实现信号的隔离性传递，传递的信号可以是交流信号，也可以是直流信号。通常的光耦由于它的非线性，因此在

3、模拟电路中的应用只限于对较高频率的小信号的隔离传送。普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。图-1图44-2高速光耦光耦合器传输的信号可以为数字信号，也可以为模拟信号，只是对器件要求不同，故选择时应针对输入信号选择相应的光电耦合器。在高频开关电源的驱动信号应用中，对光华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书耦的响应速度要求很高，故一般采用如图44-2所示响应较快的高速型，延迟时间在500nS以内。用

4、于模拟信号或直流信号传输时，应采用线性光耦以减小失真，而传输数字开关信号时，对其线性度的要求不太严格。华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书集学科优势- -求改革创新集学科优势 -求改革创新光电耦合器一般采用DIP封装。光电耦合器常用在接口电路中，或反馈电路的信号检测中，作为两种供电电路间的信号转换。常见光电耦合器如GO-100系列、GO-200系列和GO-300系列，其内部电路如图44-3、图44-4、图44-5,三极管输出系列4N25/26/27,内部电路如图44-6。其典型应用如图44-7、图4

5、4-8所示。由图44-7可看出，线性信号经运放及三极管放大后，驱动发光二极管，光电耦合器作其负载，经光电耦合器后，信号到达了输出端，并与流经发光二极管的输入电流成比例；且供电电压由另一组电源供电，实现了输入和输出间的电气隔离。图44-8所示电路，是典型的继电器驱动电路。实验中为实现的方便起见，可选择小电流驱动，如图44-8。而实际应用时，可实现大电流驱动，比如控制总电源的切断与接通。光耦在降低地线环路干扰中的应用地线：地线的一般定义是：作为电路电位基准点的等电位体。然而，实际地线上的电位并不是恒定的。如果用仪表测量一下地线上各点之间的电位，会发现地线上各点的电位可能相差很大。正是这些电位差才造

6、成了电路工作的异常。电路是一个等电位体的定义仅是人们对地线电位的期望。HENRY给了地线一个更加符合实际的定义：信号流回源的低阻抗路径。这个定义中突出了地线中电流的流动。按照这个定义，很容易理解地线中电位差的产生原因。因为地线的阻抗总不会是零，当一个电流通过有限阻抗时，就会产生电压降。因此，地线上的电位象大海中的波浪一样，此起彼伏。地环路干扰的机理：图44-9地环路干扰图44-9是两个接地的电路。由于地线阻抗的存在，当电流流过地线时，就会在地线上产生电压。当电流较大时，这个电压可以很大。例如附近有大功率用电器启动时，会在地线在中流过很强的电流。这个电流会在两个设备的连接电缆上产生电流。由于电路

7、的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成影响。由于这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的，因此成为地环路干扰。地环路中的电流还可以由外界电磁场感应出来。解决地环路干扰对策：从地环路干扰的机理可知，只要减小地环路中的电流就能减小地环路干扰。如果能彻底消除地环路中的电流，则可以彻底解决地环路干扰的问题。采用各种隔离器件的隔离方法就是解决地环路干扰的方案之一。用光实现信号的传输是一种可靠切断地环路的方法，是解决地环路干扰问题的最理想方法。用光连接有两种方法，一种是光耦器件，另一种是用光纤连接。光耦的寄生电容一般为2pf,能够在很高的频率提供良好的隔离。光纤几乎没有寄生电容

8、，但安装、维护、成本等方面都不如光耦器件。光耦在开关电源中的应用开关电源一般由两部分组成，一部分是功率主回路，另一部分是控制回路。变换器功率主回路往往与市电网连接，电压等级高；但输出回路和控制回路多由低压电子元器件组成。为了人身和低压电子元器件的安全，功率主回路与输出回路控制回路应该电气隔离，即两者不共地。对于开关电源，隔离技术和抗干扰技术是至关重要的，随着电子元器件的迅速发展，光耦的线性度越来越高，是目前在单片机和开关电源中用得最多的隔离抗干扰器件。光耦应用于开关电源的控制信号传输与隔离。当所需要传输的信号为直流反馈信号时，信号对传输速度的要求很低，反馈精度是主要因素，应选用线性光耦。线性光

9、耦是在光耦的输入端加控制电压，在输出端会成比例地产生一个电压，用于进一步控制下一级的电路。它由发光二极管和光敏三极管组成，当发光二极管接通发光时，光敏三级管导通。光耦是电流驱动型，需要一定的电流才能使发光二极管导通，如果输入信号太小，发光二极管不会导通，其输出信号将失真。在开关电源中，利用线性光耦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。在开关电源中是采用电压环进行闭环调节实现输出电压的稳定输出的，光耦作为输入采样、反馈信号、输出驱动的隔离器件。一方面光耦可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响。另一方面，光耦的发光二极管

10、是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送形式，电流环路是低阻抗电路，对噪音的敏感度低，提高了系统的抗干扰能力，起到了电磁兼容和隔离抗干扰的作用，不会因为电路中的高频电流的电磁干扰对控制电路产生干扰。当光耦应用于控制信号放大成为驱动主开关管的驱动信号时，除了控制电路要和变换器主电路的隔离要求，还因为开关电源的驱动控制信号通常频率都非常高，所以这时最主要考虑的是其响应速度能否满足要求，应采用高速光耦。设开关频率为lOOKHz,则开关周期为10us,光耦传输延迟初步限定在500ns以内，目前市场上光耦器件能满足这一要求的产品见表44-1。表44-1市场上的高速光耦器件参数TLP2502008TLP55

11、9DStFOD2200PHL:300tPLH:500300HCPL-3120HCPL-4504/6t6N13760HCPL-260/060LtPS9121/9821-1/25.0mA),才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。若CTR200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书集学科优势 #-求改革创新集学科优势- -求改革创新表44-2市场上的线性光耦器件的主要型号及主要参数PC816A8016070Sh

12、arpPC817A8016035SharpSFH610A-26312570SimensNEC2501-H8016040NECCNY17-26312570Motorola,SimensCNY17-310020070ToshbaSFH600-16312570SimensImoceenSFH600-210020070CNY75GA63CNY75GB1001259020090TemicMOC8101508030MotorolaMOC81027311790ImoceenDIP4（基极未引出）DIP6（基极引出）DIP6（基极未引出）华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书华中科

13、技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书集学科优势 #-求改革创新集学科优势- #-求改革创新华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书集学科优势 -求改革创新集学科优势- -求改革创新其它隔离器件的应用（1）传感器在实验37中列出的电压、电流传感器（包括变压器、互感器和霍尔传感器）等，都是用途很广的隔离器件。变压器和互感器用于交流场合，使用时不需要提供供电电源，使用方便。由于它们是按照一定频率选择磁芯和设计线圈匝数的，因此只能在设计的频率范围下使用（通常范围很窄）。而霍尔传感器可以用

14、于直流，也可以用于交流，频率范围可以很宽，线性度好，精度较高，通常用于较高精度的信号测量。只是它需要提供专门的供电电源（1218V）,而且与变压器、互感器相比，成本也较高。（2）继电器继电器是用于检测系统控制状态时的一种有触点的开关型隔离器件。它具有一个线圈和数个触点，触点类似于开关，当线圈通电后触点执行开关通断动作：在平常线圈不通电时呈现断开状态的触点，称为常开触点；常开触点在线圈通电后呈现闭合状态；在平常线圈不通电时呈现闭合状态的触点，称为常闭触点；常闭触点在线圈通电后呈现断开状态；通常继电器都具有多于一对的常开和常闭触点，在线圈通电后，让常开触点接通相应的控制电路，并同时由常闭触点断开相

15、应的控制电路。这样在线圈的控制电压这同一个控制信号下，能通过触点开关控制多个不同的电路需要的状态，这些被触点控制的电路可以是彼此互相隔离的。因此除了隔离的作用，它还实现了同一个输入信号控制多个电路的目的。与传感器和光耦不同的是，继电器只是接收到输入信号（线圈电压或电流）后，转变成触点的开关动作（使被控制的电路通过机械触点接通或断开），而不能象传感器那样在产生和输入信号成正比的输出信号。同时，机械触点的动作时间是有限的，所以不能用于频繁动作的场合。继电器一般用于起动、制动或其它需要反映系统状态的电路的控制中。继电器有不同电压等级（即线圈额定电压），使控制系统设计时得以方便地根据电路电源使用。触点

16、也有不同电流等级，即能接通或断开的电路最大电流。通常继电器的触点电流可以比线圈电流大得多，故继电器也可以起着象三极管那样的放大作用，只是被放大的电流不是象三极管那样由三极管本身决定，而是由触点电路决定。当继电器触点电流仍不能满足被控制电路的电流的等级要求，例如接通或断开电力电子变换器主电路，或电机负载回路时，可以采用和接触器配合的方法增大触点电流，即用继电器触点控制接触器线圈电源电压电路，用接触器的触点去接通或断开主电路这样的大电流回路。接触器的电压等级和电流等级通常也高于继电器很多，原理和继电器类似，是用于大电流回路控制的常用有机械触点控制器件。接触器有直流（线圈电压为直流）和交流（线圈电压

17、为交流）两种。无论是哪种，其触点作为开关都可以串接在直流或交流回路中。通常继电器的触点在线圈接通额定电压后很快动作，而降低线圈电压到一定值后，触点才会回复原状态。这样使得接通电压和断开电压不等，之间存在一个差值，称为回差电压。利用这个回差可以抗电源方面的干扰。利用继电器进行电路状态控制的例子见本实验室电力电子综合装置上的DC/DC-Buck，DC/DC-Boost，DC/DC-Cuk电路的控制电路，见附录图所示的控制电路板（B01DC/DC变换控制电路）原理图。图中采用继电器进行电路启动和制动控制，原理见图44-10。图中，J为继电器线圈，其触点有两对，每对触点为一个常开和一个常闭触点串联。开

18、机按钮按下以前，三极管Q1不导通，继电器线圈（图中方框表示）不通电，与“驱动电路封锁端”串联的常闭触点A短接该封锁端到地，使PWM脉冲被可靠封锁；另一个常闭触点C将PWM芯片TL494的死区控制端接通芯片内部稳压电源，该死区控制端的电位越高，脉冲宽度越窄，当该端电位接近芯片内部电源电压时脉冲宽度为零，维持启动前死区为最大的状态。开机时，开机按钮瞬时将三极管Q1的基极通过电阻R49短接到地，给Q1基极偏置电压，从而使Q1导通，继电器得电，常闭触点A断开、常开触点B闭合，使Q1基极维持导通所需的偏置电压而保持导通状态，实现“自保”。导通状态下继电器线圈持续有电，常闭触点A从”地”断开驱动脉冲封锁端

19、，允许开放脉冲；而另一常闭触点C将死区控制端从芯片内部电源端脱开，则死区控制端电位通过电容C21的充电而逐渐变低，逐渐使脉冲宽度增大，实现了起动时输出方波电压的宽度从零逐渐增大、电压幅值从零逐渐增大到正常值的过程，避免了开机时脉冲宽度突然变大造成的电流冲击。关机时的情况可类似分析。关机使继电器断电，所有的触点恢复原状，脉冲重新被封锁。继电器从通到断的过程中，线圈两端会产生较高的反电势，有导致三极管击穿的危险。因此在线圈两端反并一个二极管，提供线圈断电时的续流通路以限制反电势。图44-10采用继电器进行起动/停机控制的电路原理图在线圈接通电源电压后，触点延时动作的继电器称为时间继电器。延时是根据

20、控制电路时序需要而设置的预定时间，超过预定时间后输出电气关闭或电气接通信号。根据需要有各种不同规格的时间继电器/接触器延时触点：瞬时闭合而延时断开、瞬时断开而延时闭合、瞬时闭合瞬时断开、延时闭合延时断开，等。延时时间可以自行调整。本实验室的电力电子实验装置上也采用了时间继电器实现装置上整流电源的启动，原理见图44-11。通常实验室供电电源只有单相交流220V/50HZ和三相交流380V/50HZ两种。需要直流电源时，只能通过整流电路将交流电源变换为直流电源。为了滤波的便利和简单，本电力电子综合实验装置采用三相二极管不控整流电路获得直流电源，三相交流电源经直流桥后成为6脉波的脉动直流，再通过滤波

21、电感和电容滤除纹波后成为平稳的直流。实验中需要调节直流电压幅值，则采用手动调节输入调压器的方式来控制。由于滤波电容值较大，即使串联了滤波电感，合闸时，较高的交流电压经整流桥给电容充电所形成的充电电流仍比较可观，可能大大超过整流桥的电流限额而导致整流桥烧毁，或导致电容寿命降低。一般都在滤波电感和电容前串联一个大功率的充电电阻，以限制充电电流。但是正常工作时的电流流过该充电电阻将导致很大且不必要的功耗，不仅降低电路效率，也会引起该功率电阻因发热而烧毁。因此，启动电源装置后应采用一定措施自动将该电阻短接。实验装置采用时间继电器/接触器起动整流电源，合闸后在串入电阻R的情况下给电容充电，经过延时后，将

22、与充电电阻R并联的延时常开触点KTB闭合，自动短接该电阻，进入无充电电阻的正常工作状态。断电时接触器失电，延时触点瞬时断开，同时另一个非延时常闭触点KMID瞬时闭合，将电容上的电荷放电恢复到初始状态，因而再次启动时电阻能正常参与限流充电。R1100/50WL1二、三相交流电源输入一R2100/50n图44-11MID采用时间继电器进行装置整流电源充电时间控制的电路原理图实验目的电力电子变换电路（对象）、控制器、反馈回路的设计，都是电力电子控制系统设计的重要组成部分。本实验目的在于：熟练掌握在电路控制中，由于各种隔离的需要而选择不同隔离器件的方法，并设计合理的隔离电路。三、实验内容按照实验原理，

23、选取任一种电力电子变换电路作为实验电路，设计反馈电路，或其它能采用各种已经介绍过的隔离器件进行设计的控制电路。归纳总结实验结果和得出的主要结论。完成相应电路实验，以验证你的设计。四、实验设备电力电子实验装置：相关实验模块（实验挂箱）；实验控制电路板；功率供电电源、控制电源；实验箱面包板，各种隔离器件，等示波器五、实验步骤（供参考）自行拟定。本实验附录提供了一个参考实验案例。实验案例中，以单端反激实验模块（实验控制板B07-单端反激变换器电路）作为实验电路。实验案例中的设计思路（见实验48）供参考。你可以自行选择一个电路完成设计。六、实验报告画出所选择的实验电路的主电路。采用数字方式实现SPWM

24、逆变时，列写出使用的DSP控制算法。画出采用隔离器件进行设计的控制电路或反馈电路，或其它电路，并叙述其设计原理，标注设计参数。记录实验中有关的波形和数据，以验证你的设计。用计算机导出实验波形并附于实验报告上。分析总结实验结果，并加以讨论。列表总结各种隔离器件的特点、应用场合。七、实验思考题在反馈电路中，采用光耦和采用变压器有什么不同？它们在电路设计上应注意哪些问题？（举例说明）附录实验案例：单端反激变换器反馈电路设计实验板B07-单端反激变换器电路原理图见后页，其分析见实验四十八的介绍。该电路中的负反馈是采用主变压器上另绕一个反馈付方绕组（变压器的5-6端）来实现检测的，属于变压器隔离方式。该变压器的反馈付绕组及其整流环节（R8、D6、C5、R7）模拟各付方输出的电压，当输出电压变高时（输入电源电压升高，或负载减小），当检测到的输出电压升高，超过稳压管D4、D5的稳压值时，稳压管齐纳击穿，有电流流过稳压管，该电流由大功率三极管208A的基极提供，致使正在导通的三极管