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前兩天，開始我們樂創(chuàng)客第一塊開發(fā)板的設(shè)計，當我在進行電路設(shè)計時，我發(fā)現(xiàn)一些電路設(shè)計軟件的使用，一些電路設(shè)計的方案，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，并且分享出來一起討論的。因此從本節(jié)文字開始，正式開啟電路【電路設(shè)計筆記】的更新。當然，這里的部分電路是我用了非常多年的成熟電路，一些電路是我臨時創(chuàng)新想出的未經(jīng)過驗證的電路，這些沒有被驗證的電路我會指出來，大家閱讀時如果發(fā)現(xiàn)有問題也希望不吝指出。
隔離電路的目的
在我們設(shè)計硬件系統(tǒng)的時候，經(jīng)常有這樣的困擾，有很長距離的控制線或者通訊線連接兩個控制系統(tǒng)，而這樣的系統(tǒng)在面對一些外部干擾，如射頻干擾或者快速電脈沖群干擾時，非常容易造成兩個系統(tǒng)之間的控制失效，或者通訊誤碼。面對這樣的情況，隔離電路是一個很好的解決方案，它可以用很低的成本來解決通訊的干擾問題。甚至同一個電路板之間，功率部分對控制單元的干擾也可以利用隔離電路來增強其穩(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，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。隔離電路的主要目的，是將兩個系統(tǒng)之間的電氣連接關(guān)系通過“電光 - 光電”轉(zhuǎn)換器件，或者“電磁 - 磁電”轉(zhuǎn)換器件來切斷。所謂電氣系統(tǒng)的切斷，即不僅指控制信號的隔離，同樣也是指兩個部分的“地”信號完完全全隔離開來。這樣的話，兩個電路之間就沒有了直接存在的電氣關(guān)系，因而兩個系統(tǒng)之間的射頻輻射或者傳導(dǎo)輻射也無法互相干擾，從而起到了抗干擾的目的。
圖 1 長距離通訊光耦隔離
隔離電路的實現(xiàn)
一般最常用也最便宜的光耦合器器件，光耦合器（optical coupler，縮寫為 OC）也稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為中間媒介來傳輸電信號的器件，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)。當輸入端加載電信號時發(fā)光側(cè)的發(fā)光二極管發(fā)出光線，通過內(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)射器傳來的光信號之后就能產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電—光—電”控制。光電耦合器具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。
圖 26N138 光耦實物圖
圖 3 常用的光耦符號
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 817 系列的光耦又分成 ABCD 四個檔次，當然現(xiàn)在光耦產(chǎn)品越來越成熟，已經(jīng)完全不止這四個等級了。
圖 4 XX817 系列光耦等級
這四個等級反應(yīng)了光耦在日常使用時的 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 CTR<< span="">50%時，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，光耦就會變得非常靈敏，電路啟動或者負載突變時造成的電源波動很可能會造成光耦的誤觸發(fā)，所以在選用光耦時，一定要注意這個參數(shù)。
接下來看一下 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)字信號隔離的時候，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 MCU-PIN 輸出低電平時，U1 的發(fā)光二極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管就發(fā)光，輸出測的光敏三極管就導(dǎo)通，而此時 Q1 導(dǎo)通，繼電器吸合。當 MCU-PIN 為高電平時，U1 的發(fā)光二極管不導(dǎo)通，發(fā)光二極管就不發(fā)光，輸出測的光敏三極管就導(dǎo)通，而此時 Q1 截至，繼電器斷開。
圖 6 光耦驅(qū)動繼電器電路
上面這個電路在以前一些工藝比較粗糙的單片機上面其實完全是可以的，因為例如最早的 DIP40 封裝的 51 單片機最大吸入電流可以達到 10mA 左右，這個電流足以讓光耦打開。但是現(xiàn)在一些比較新式的單片機如果這樣接，可能會造成芯片溫度過高的情況，這是因為三極管的 If 電流全部都流經(jīng)單片機到地了，而現(xiàn)在的新式單片機制程工藝比較先進，溝道窄，無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三極管去控制。
圖 7MCU 驅(qū)動光耦
這樣僅僅依靠單片機的正常輸出電流，就可以控制光耦的通斷了。
以上是信號合理電路的實現(xiàn)，但是還有一個比較重要的是，要實現(xiàn)完全的電氣隔離，單單信號隔離是不完整的，控制部分與驅(qū)動部分的電源和地也需要通過隔離芯片完全隔離。
在選用光耦時，特別是在用光耦隔離一些有頻率的信號時，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 817 光耦，其轉(zhuǎn)換頻率為 80kHz，且它的 VCE 輸出 5V 時，最大的輸出驅(qū)動電流 Ic 為 2mA，這個電流顯然是很難驅(qū)動一些外設(shè)的，因此，我們在選用光耦的時候，要考慮 需要輸出的電流和頻率。如果一定要對一些高頻信號隔離時，要選用特定的高速光耦來實現(xiàn)。
除了 817 之外，還有一個應(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似，這里就不再細說了。
除了光電耦合器件之外，還有一種磁隔離芯片也能達到電氣隔離的作用。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。
