方承和 蔡卓帆

摘要：光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)的元件，由于其對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，因此在各種需要電氣隔離的信號(hào)傳輸電路中，具有廣泛的應(yīng)用。但光耦內(nèi)部由于對(duì)微小的信號(hào)有放大左右，比較容易受到干擾。尤其在扶梯的應(yīng)用場(chǎng)合，因?yàn)樽冾l器的運(yùn)行，本身出于強(qiáng)干擾的工況下。并且在對(duì)安全邏輯的判斷時(shí)，需高的有效率，尤其是涉及到需要認(rèn)證的安全電路，所以探討光耦的安全應(yīng)用與有效濾波尤為重要。

Abstract： Optocouplers use optical as a medium to transmit electrical signals. Because of their good isolation of input and output electrical signals， they have a wide range of applications in signal transmission circuits that require electrical isolation. However， the inside of the optocoupler is relatively susceptible to interference due to the amplification of small signals. Especially in the application of the escalator， because of the operation of the inverter， it is under strong working conditions. Moreover， in the judgment of the safety logic， it is required to be highly efficient， especially when it comes to safety circuits that require authentication. Therefore， it is especially important to discuss the safety application and effective filtering of the optocoupler.

關(guān)鍵詞：光耦;濾波;切斷;安全

Key words： optocoupler;filtering;cut off;safety

中圖分類號(hào)：TN773 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）14-0163-03

0 ?引言

光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。目前，一般的光耦電路在普通場(chǎng)合使用基本沒(méi)有問(wèn)題，但是在干擾較強(qiáng)的場(chǎng)合，干擾信號(hào)較強(qiáng)，容易產(chǎn)生誤觸發(fā)的現(xiàn)象，導(dǎo)致檢測(cè)出現(xiàn)誤判斷。扶梯場(chǎng)合有使用到變頻器等干擾較強(qiáng)的設(shè)備、傳感器檢測(cè)信號(hào)傳輸線路較長(zhǎng)，容易受到干擾，而且扶梯場(chǎng)合對(duì)安全要求特別高，不允許出現(xiàn)誤動(dòng)作的現(xiàn)象。

1 ?技術(shù)方案

有鑒于此，需要提供一種具備輸入開(kāi)啟電壓可控和濾波的光耦隔離電路，以解決輸入信號(hào)傳輸過(guò)程中受到干擾造成誤檢測(cè)和動(dòng)作的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，主要采用以下技術(shù)方案：

需要重新設(shè)計(jì)輸入開(kāi)啟電壓可控和濾波的光耦隔離電路，包括低通濾波器、光耦電路開(kāi)啟電壓控制電路以及兩路光耦輸出電路，所述電路用于濾除高頻雜波的RC低通濾波器，具有用于濾除高頻雜波的LC濾波器和用于靜電保護(hù)和防止輸入信號(hào)反接的電路，具有用于電路開(kāi)啟工作的開(kāi)關(guān)控制電路，具有原邊級(jí)聯(lián)的兩路輸出信號(hào)的光耦隔離電路，電路的光耦副邊具有一階低通濾波電路。

①其中RC低通濾波器包括連接在輸入回路輸入端的電阻（R1）和輸入回路末端的電阻（R3），以及兩個(gè)電阻后端的電容（C1）。

②其中LC濾波器包括兩個(gè)電感和一個(gè)電容，第一電感（L1）接在輸入端電阻（R1）后端和電容（C2）之間，第二電感（L2）接在2中輸入回路末端電阻（R3）前端與電容（C2）之間。

③用于靜電保護(hù)和防止輸入信號(hào)反接的電路，包括并聯(lián)在電容（C2）兩端的TVS管（Z2）和串接于第一電感（L1）之后的二極管（D1）。

④用于控制輸入信號(hào)電壓達(dá)到所設(shè)定的開(kāi)啟電壓時(shí)電路才開(kāi)始工作的電路，包括串接于三極管（Q1）集電極的第一穩(wěn)壓管（Z1），三極管（Q1）基極的上拉電阻（R2），串接于三極管（Q1）基極與第二電感（L2）之間的第二穩(wěn)壓管（Z3）。

⑤有原邊級(jí)聯(lián)的兩路輸出信號(hào)的光耦隔離電路，包括三極管（Q1）發(fā)射極與第一光耦（PC1）原邊發(fā)光二極管陽(yáng)極之間串聯(lián)的電阻（R5）和電感（L3），原邊級(jí)聯(lián)的第一光耦（PC1）和第二光耦（PC2），第二光耦（PC2）原邊發(fā)光二極管陰極與末端電阻（R3）前端之間串聯(lián)的電感（L4）和電阻（R11），連接在三極管（Q1）發(fā)射極與末端電阻前端之間的電阻（R4、R6）。

⑥光耦隔離電路副邊具有一階低通濾波電路，第一光耦（PC1）副邊包括集電極端上拉電阻（R7）和對(duì)地電容（C3），以及串接于集電極和CPU之間的電阻（R8）;第二光耦（PC2）副邊包括集電極端上拉電阻（R9）和對(duì)地電容（C4），以及串接于集電極和CPU之間的電阻（R10）。

2 ?工作原理

為輸入的檢測(cè)信號(hào)通過(guò)電阻（R1）、電容（C1）、電阻（R3）組成的RC低通濾波電路和電感（L1）、電容（C1）、電感（L2）組成的LC濾波器，可以有效濾除檢測(cè)信號(hào)中的高頻雜波干擾，有效地提高信號(hào)的抗干擾，通過(guò)RC低通濾波電路、LC濾波器、用于靜電保護(hù)和防止輸入信號(hào)反接的電路的檢測(cè)信號(hào)與用于電路開(kāi)啟工作的開(kāi)關(guān)控制電路的第一穩(wěn)壓管（Z1）和三極管（Q1）的集電極相連，通過(guò)R2電阻與第二穩(wěn)壓管（Z3）陰極相連，同時(shí)與三極管（Q1）的基極相連，第二穩(wěn)壓管（Z3）的陽(yáng)極通過(guò)LC濾波器和、RC濾波器與檢測(cè)信號(hào)的地相連，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)的初始電壓幅值超過(guò)第一穩(wěn)壓管（Z1）、第二穩(wěn)壓管（Z3）的穩(wěn)壓值和防止輸入信號(hào)反接的二極管的開(kāi)啟電壓之和，三極管（Q1）才會(huì)導(dǎo)通，兩路輸出信號(hào)的光耦原邊通過(guò)電流，檢測(cè)信號(hào)傳輸?shù)焦怦罡边叄ㄟ^(guò)副邊的一階低通濾波電路傳輸?shù)紺PU;干擾信號(hào)幅值不超過(guò)第一穩(wěn)壓管（Z1）、第二穩(wěn)壓管（Z3）的穩(wěn)壓值和防止輸入信號(hào)反接的二極管的開(kāi)啟電壓之和，三極管（Q1）不會(huì)導(dǎo)通，提高了檢測(cè)信號(hào)的抗干擾特性。

3 ?實(shí)施方式

結(jié)合圖2所示，提供的輸入開(kāi)啟電壓可控和濾波的光耦隔離電路，包括低通濾波器、光耦電路開(kāi)啟電壓控制電路以及兩路光耦輸出電路，其電路有濾除高頻雜波的RC低通濾波器，有用于濾除高頻雜波的LC濾波器和用于靜電保護(hù)和防止輸入信號(hào)反接的電路，有用于電路開(kāi)啟工作的開(kāi)關(guān)控制電路，有原邊級(jí)聯(lián)的兩路輸出信號(hào)的光耦隔離電路，其電路光耦隔離電路副邊具有一階低通濾波電路。電路原邊設(shè)置了兩級(jí)濾波器、輸入信號(hào)電壓達(dá)到所設(shè)定的開(kāi)啟電壓時(shí)電路才開(kāi)始工作的功能，副邊設(shè)置一階低通濾波電路。其中輸入的檢測(cè)信號(hào)通過(guò)電阻（R1）、電容（C1）、電阻（R3）組成的RC低通濾波電路和電感（L1）、電容（C1）、電感（L2）組成的LC濾波器，通過(guò)用于靜電保護(hù)和防止輸入信號(hào)反接的電路與用于電路開(kāi)啟工作的開(kāi)關(guān)控制電路的第一穩(wěn)壓管（Z1）相連，用于電路開(kāi)啟工作的開(kāi)關(guān)控制電路的三極管（Q1）的基極通過(guò)上拉電阻（R2）與其集電極和第一穩(wěn)壓管（Z1）的陽(yáng)極相連，還與第二穩(wěn)壓管（Z3）的陰極相連，其陽(yáng)極通過(guò)LC濾波器和、RC濾波器與檢測(cè)信號(hào)的地相連，三極管（Q1）的發(fā)射極通過(guò)電阻R5和電感（L3）與原邊級(jí)電路開(kāi)啟工作的開(kāi)關(guān)控制電路的三極管（Q1）的基極通過(guò)上拉電阻（R2）與其集電極和第一穩(wěn)壓管（Z1）的陽(yáng)極相連，還與第二穩(wěn)壓管（Z3）的陰極相連，其陽(yáng)極通過(guò)LC濾波器和、RC濾波器與檢測(cè)信號(hào)的地相連，三極管（Q1）的發(fā)射極通過(guò)電阻R5和電感（L3）與原邊級(jí)聯(lián)的兩路輸出信號(hào)的光耦隔離電路相連，兩路輸出信號(hào)的光耦副邊通過(guò)一階低通濾波電路傳輸給CPU。

4 ?開(kāi)啟電壓電路測(cè)試

針對(duì)開(kāi)啟電壓的控制電路，在有效輸入緩慢上升時(shí)，測(cè)試最小的開(kāi)通電壓與遲滯保持。在開(kāi)啟控制電路中，如圖3紅色有效信號(hào)所示，直到電壓輸入到Z1的門(mén)限電壓，本電路才能正常開(kāi)啟，以此達(dá)到安全切斷的功能。

5 ?驗(yàn)證其對(duì)干擾的抑制效果

由于扶梯變頻器在正常工作時(shí)，受IGBT開(kāi)關(guān)的影響，輸出電流實(shí)際上為帶著鋸齒波形的高頻電流，如圖4所示。

由于在大功率扶梯變頻器中，最大輸出電流高達(dá)50A以上，并且在控制柜內(nèi)布局的時(shí)候因?yàn)榧纳姼械拇嬖冢鶕?jù)電壓公式U=L*di/dt，高頻大電流將產(chǎn)生大的干擾電壓。此干擾電壓串?dāng)_進(jìn)正常信號(hào)中，使產(chǎn)品誤報(bào)故障或無(wú)法正常運(yùn)行。實(shí)測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)干擾波形集中在250kHz的頻率附件。所以濾波主要針對(duì)250kHz的干擾。

但是有效信號(hào)的最高頻率為10kHz，考慮到冗余。濾波開(kāi)始頻率定為50kHz，最大值頻率定為250kHz。

本電路中，濾波電路為無(wú)源RC一階低通濾波電路，其傳遞函數(shù)為G（s）=1/（RCs+1）。

其衰減的計(jì)算方法為：Uo=Ui/[（2*π*F*R*C）^2+1]^0.5

通過(guò)理論計(jì)算，新的濾波電路對(duì)于250kHz的抑制效果最好，可達(dá)到92%的衰減。

對(duì)于50kHz以下的衰減較小。并且對(duì)于正常頻率：10kHz，衰減小于10%。

實(shí)際對(duì)比測(cè)試如圖5所示：測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算一致。

6 ?結(jié)束語(yǔ)

以上對(duì)輸入開(kāi)啟電壓可控和濾波的光耦隔離電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹，電路增加多重濾波和提高了光耦開(kāi)啟電壓的幅值，提高了檢測(cè)信號(hào)的抗干擾性能，能夠更有效的避免CPU出現(xiàn)誤檢測(cè)和誤判斷現(xiàn)象的出現(xiàn)。從而大幅提高扶梯在正常運(yùn)行提高安全系數(shù)，極大的減少應(yīng)為誤動(dòng)作所帶來(lái)事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉美俊.變頻調(diào)速原理與應(yīng)用狀況[J].電工技術(shù)，2002（4）：28-29.

[2]朱士龍，朱嘉林，陳福彬.一種用于抑制共模信號(hào)的差分放大電路的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（18）：110-112.

[3]趙金奎.共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)[J].電子質(zhì)量，2006（05）.