接口電子器件中的光耦合器模塊

工業(yè)電子設(shè)備在電氣噪聲和機(jī)械挑戰(zhàn)性的環(huán)境中運行。問題在于，自動化、控制和儀表組件依賴于沒有電氣干擾或失真的精確信號來正常運行。因此，光耦合器模塊通常被工程師用作信號源以及電源、工業(yè)控制和其他組件之間的信號保護(hù)中介。

在工業(yè)應(yīng)用中，光耦合器模塊是一種獨立的DIN導(dǎo)軌安裝器件，為信號路徑提供光學(xué)隔離。其核心是一個光耦合器，即一個具有發(fā)光二極管或LED和一個光敏器件的電路。光耦合器模塊的輸入側(cè)包括電源或信號輸入電子器件以及LED。輸出包括輸出電路中的光敏器件（通常是光電晶體管或光電二極管）。當(dāng)電流通過LED時，它會導(dǎo)致紅外光的****，從而激活光敏器件，從而使電流通過光耦合器的輸出。這樣，光耦合器輸出類似于數(shù)字開關(guān)，根據(jù)輸入電壓信號的存在而打開和關(guān)閉。

光耦合器的一個關(guān)鍵參數(shù)是電流傳輸比或CTR，它是輸入和輸出電流之間比率的量度。雖然工業(yè)控制器無需光耦合器即可工作，但后者可提高安全性、可靠性和準(zhǔn)確性，并避免直接進(jìn)行（非隔離）信號連接的潛在問題。

1. 光耦合器模塊可防止電氣干擾： 從簡單的機(jī)械限位開關(guān)信號到基于協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，在工業(yè)環(huán)境中，一切都容易受到電噪聲的影響。如果這些信號必須傳播任何距離，則它們最容易受到攻擊。在這里，光耦合器可以隔離流經(jīng)接地連接的雜散電流產(chǎn)生的共模噪聲。為此，正確設(shè)置使用光耦合器的系統(tǒng)，將源極和接收電路分別連接在單獨的接地和信號連接上。

2. 光耦合器模塊連接高壓和低壓電路： 如果工業(yè)控制器輸入的信號超過設(shè)定的限制，它們可能會受到損壞......但通常需要跟蹤功率水平。例如，PLC 的數(shù)字輸入可能設(shè)計為接受 24 Vdc，但需要監(jiān)控 220 V 交流負(fù)載。將 220 Vac 直接連接到 PLC 輸入顯然會損壞后者。因此，光耦合器模塊可能接受220 Vac輸入，并在控制器的最大允許輸入范圍內(nèi)產(chǎn)生反饋輸出電壓。

3. 光耦合器模塊可保護(hù)工業(yè)控制器免受瞬態(tài)事件的影響：瞬態(tài)事件是突然的短時電壓或電流突發(fā)。盡管瞬變持續(xù)時間很短，但瞬變可能會對工業(yè)控制器造成重大損壞。在這里，光耦合器模塊可以用作工業(yè)控制器與任何暴露于浪涌或浪涌電流的現(xiàn)場傳感器之間的隔離屏障。

雖然光耦合器模塊主要隔離輸入信號和電源，但有些設(shè)計有助于確保輸出信號的質(zhì)量。例如，一些光耦合器模塊可以取代機(jī)電信號繼電器。后者通常采用 2A 或更低的低開關(guān)電流工作。這使得具有相似或更高輸出電流的光耦合器非常適合替代...但由于沒有移動部件，因此設(shè)計壽命更長。更具體地說，機(jī)電繼電器通常工作 100，000 到 1，000，000 個周期......但基于光耦合器的繼電器可以使用數(shù)十年。此外，光耦合器模塊避免了反電動勢和信號反彈的機(jī)電問題。

基于光耦合器的固態(tài)繼電器的快速開關(guān)使其適用于各種高功率系統(tǒng)輸出負(fù)載。光耦合器還可以通過隔離來補(bǔ)充工業(yè)電源。

高速開關(guān)光耦合器還可以保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)控制和控制功率信號，如脈寬調(diào)制或PWM和Modbus RS485，僅舉兩個例子。這里通過隔離控制器和接收元件來最小化基于耦合的EMI耦合。

使用光耦合器模塊進(jìn)行過零檢測

一些基于交流的應(yīng)用需要過零檢測，這是交流信號在零以上和零以下切換時的轉(zhuǎn)換的測量。在這里，過零電路可以讓控制器測量波形的頻率和相位，以及每次交流信號越過0 V點時在輸出端形成的窄脈沖。過零檢波器電路的變化比比皆是，但基于光耦合器的檢測器電路更勝一籌。光耦合器在交流信號和控制器之間提供噪聲隔離屏障...許多光耦合器模塊甚至內(nèi)置零點檢測電路，以減少器件數(shù)量。

當(dāng)光耦合器補(bǔ)充電源時，通常在電源的反饋控制環(huán)路（與輸入側(cè)變壓器一起）隔離系統(tǒng)直流/交流、交流/交流、交流/直流或直流/直流轉(zhuǎn)換器。這種布置消除了電源輸入和所有輸出端子（以及任何連接的現(xiàn)場設(shè)備、電機(jī)或其他負(fù)載）之間的所有直接導(dǎo)電路徑，以實現(xiàn)更安全、更高效的設(shè)計。在定期在截然不同的電源狀態(tài)之間切換的設(shè)備上，光耦合器可以（甚至高達(dá)幾十kV/μsec）保護(hù)電源免受瞬態(tài)共模電壓的影響。在高壓應(yīng)用中，光耦合器還可以斷開由不同電源引起的接地環(huán)路電流，設(shè)計中的接地電位差很小，從而消除共模電噪聲問題。

這些是決定最合適的光耦合器模塊選擇的首要參數(shù)。

輸入電壓 — 確定輸入信號的最大電壓，并選擇高于限值的光耦合器模塊。

輸出電壓和電流 — 確保光耦合器的輸出能夠處理應(yīng)用所需的電壓和電流。一些光耦合器模塊具有高電流或高壓輸出額定值。

響應(yīng)時間 — 任何用于高速信號傳輸?shù)墓怦詈掀鞫夹枰晕⒚?（μsec） 為單位的響應(yīng)時間。

安裝 — 可以從頭開始構(gòu)建光耦合器電路，但DIN導(dǎo)軌安裝模塊易于安裝。