光电耦合器在控制系统中的应用研究

（广东海洋大学，广东 湛 江 5 24088）

在工业控制技术中，机械分系统和控制系统是通过接口实现有机统一的。在接口技术中，强电和弱电的电气隔离，是接口设计一个非常重要的环节。

传统的继电接触器控制,采用的是固定接线方式，一旦生产过程有所变动，就得重新设计线路连接安装，不利于产品的更新换代[1]。随着计算机技术的发展，单片机和PLC控制技术,逐渐取代了传统的继电接触器硬接线控制，日益成为工业控制技术的主流，是典型的机电一体化技术应用。在单片机和PLC控制过程中，机械分系统和控制系统是通过接口来实现物质、能量和信息的传递和交换的[2]。在接口设计中，光电耦合器经常用来提高系统的抗干扰能力及保证系统安全稳定的工作，是非常重要的一种元件。

1 光电耦合器结构和原理

光电耦合器是把发光二极管和光敏晶体管或光敏晶闸管等光传感器等封装在一起，通过光信号，实现电信号传递的器件。由于光电耦合器输入与输出之间，没有直接的电气联系，电信号是通过光信号传递的，所以也称光电隔离器。光电耦合器的结构和符号如图1所示。

图1 光电耦合器的结构和符号

光电耦合器是由发光源和受光器两部分组成，并由不透明材料封装在一起。发光源引出的管脚为输入端，受光器引出的管脚为输出端。当在输入端加正向电压时，发光二极管点亮，照射光敏晶体管（或晶闸管）使之导通，产生输出信号。

2 光电耦合器技术参数及术语

（1）电流传输比CTR。是指光电晶体管的集电极电流IC与发光二极管的电流If之比。

不同结构的光电耦合器，电流传输比相差很大，例如输出端是单个晶体管的光电耦合器4N25的电流传输比CTR≥20%，而输出端使用达林顿管的光电耦合器4N33的电流传输比CTR≥500%。

（2）时间延迟。是指光电耦合器在传输脉冲信号时，输出信号与输入信号间的延迟时间。

（3）正向压降。光电耦合器正向压降为1.5 V左右。

（4）饱和压降 UCES。光电耦合器饱和压降UCES为0.4 V左右。

（5）最大正向电流IFM。光电耦合器最大正向电流IFM的范围为50～70 mA。

3 光电耦合器在控制系统中的隔离作用

在工业控制领域中，控制系统不仅要对被控对象进行检监测，输入被控系统的开关量和模拟量，而且还要把经过处理后的信息，以开关量和模拟量形式输出，并控制被控系统工作。这些开关量和模拟量本身，往往就是强电系统。强电控制电路必将会对控制系统产生干扰，严重时会对控制系统产生致命性摧毁。因此，强电和弱电的电气隔离，是接口设计中一个非常重要的环节[3]。

光电耦合器的信号传递采取电-光-电形式，发光部分和受光部部分不接触，因此其绝缘电阻可高达1010Ω以上，并能承受2 000 V以上的高压。被耦合的两个部分可以自成系统不“共地”，能够实现电控系统强电部分与弱电部分隔离，避免干扰由输出通道窜入控制微机。可见，光电耦合器在控制系统中，是完全可以用来隔离强电部分与弱电部分的元件。

在控制系统中，电气隔离通常分为对开关量的输入/输出隔离和对模拟量输入/输出的隔离。

3.1 采用光电耦合器对开关量输出和模拟量输出的隔离

控制现场电器的通/断，是通过开关量输出通道进行控制的。如电器的启/停、继电器的通/断、电磁阀的吸合/释放，甚至步进电机的步进脉冲等，这些都是以开关量的形式表现出来的，都可以用数字1或0表示。开光量输出通道，一般是一条端口线控制一路电器。由于现场电器通断时，会产生强烈的干扰，所以从端口线输出的开关量都需要电气隔离[4]。

在控制系统控制开关输出电路时，通常把开关量锁存在锁存器中，然后在锁存器和开关量输出电路之间，放置隔离电路。隔离电路除了消除开关量输出电路在控制动力设备启停时所产生的冲击干扰，还避免了强电窜入控制系统而对控制系统造成毁坏。隔离电路通常分为继电器隔离和光电耦合器隔离两类。

继电器隔离，适用于启动负荷大响应速度慢的动力设备，因为继电器触点的负载能力大，能直接控制强电动力电路。

光电耦合器隔离的响应速度非常快，作为开关应用时，具有耐用、可靠性高等优点，响应时间一般为数微秒以内，高速型光电耦合器的响应时间，有的甚至小于10 ns。

光电耦合器种类很多，目前常用的光电耦合器有TLP521系列和4N系列等。其类型有发光二极管/光晶体管、发光二极管/复合晶体管、发光二极管/光电阻器、发光二极管/光晶闸管等，原理电路图如图2所示。这些器件不仅可以用于电路间的联接，而且不受接触振动、电气噪声和电动机械配合部分因磨损引起干扰的影响。

图2 光电耦合器类型

开关量输出常见的受控对象有电磁阀、继电器、步进电机等。

控制功率较大设备如电机时，除了采用光电耦合器隔离外，往往还要根据实际情况和外围驱动器联合使用。国内有CJ系列外围驱动器可供选择，国外有SN系列外围驱动器可供选择。有时和放大器联合使用，也可获得合理驱动电流。

图3是用8031单片机通过光电耦合器控制步进电机的接口电路，其中7407为同相驱动器，4N25为发光二极管/光晶体管型光电耦合器。当803的P1.0端输出高电平时，光电耦合器输入端为0，则输出开路，晶体管VT1不导通，步进电动机绕组两端无电压；当P1.0输出低电平时，4N25的输入电流为10 mA，4N25的电流传输比CTR≥20%，输出端可以流过大于2 mA的电流，再经过晶体管放大，产生驱动步进电动机所需电流。

图3中，输入部分与输出部分采用两套互相独立的电源，且不共地，没有电气联系，从而实现了电气隔离。

图3 8031单片机通过光电耦合器控制步进电机的接口电路

单片机的控制输出，除了和开关量有关之外，还与模拟量有关。与模拟量有关的控制输出经过模拟量输出通道，同样要经过隔离，才能进行D/A转换、驱动，作用于执行机构。

3.2 采用光电耦合器对开关量输入和模拟量输入的隔离

被控对象的一些开关状态，可以经开关量输入通道输入到控制系统，如电器的启动和停止、电磁铁的吸合和断开、光路的通和断等。但是，控制现场这些开关状态一般都不能直接接入单片机控制系统。原因有两点：

一方面，现场开关量一般不是TTL电平，需要将不同的电平转化成单片机所需的TTL电平，该过程称为电平匹配；

另一方面，即使现场开关量符合TTL电平需要，由于来自现场的干扰严重，一般也需将控制系统与现场电气隔离，避免现场电气对控制系统的干扰。

可见，电气隔离仍然是非常重要的一个环节。

图4为采用光电耦合器隔离的开关量输入原理。

图4 用光电耦合器隔离开关量输入原理

当系统端口有未用的端口线时，可以简单地将光电耦合器的输出端，直接接到系统端口线上，如图4所示，直接接到P1.0上。当端口线全部被占用，可用74系列门电路扩展并行输入口。开关的通断一般要有去抖措施，可用硬件电路实现，也可用软件延时的办法实现。

和开关量输入一样，控制系统在输入模拟量时，也必须采用光电耦合器进行隔离。

控制现场非电物理量，经过传感器转换成模拟电量，再经过电路转换一定形式的模拟电量输给A/D转换器件，将模拟量转换成数字量，然后再通过光电耦合器送给CPU。

4 结束语

通过实践证明，采用光电耦合器进行强电和弱电的电气隔离，是一种行之有效的方法，不仅安全可靠，而且价格低廉。此外，采用了高耐压光电耦合器的固态继电器，有逐步取代传统继电器之势[5]。可见，光电耦合器在控制系统中，是非常重要的元件，必将得到越来越多的发展和应用。

[1]常斗南.可编程序控制器[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]郑 堤，唐可洪.机电一体化设计基础[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社，1998.

[4]傅扬烈，俞光昀.单片机原理与应用教程[M].北京：电子工业出版社，2002.

[5]林明星.电气控制及可编程序控制器[M].北京：机械工业出版社，2004.