光耦在单片机系统中的应用

光电耦合器亦称光电隔离器，简称光耦或光隔。其输入为发光器，多为红外LED，输出为受光器，为各种类型的光敏半导体及集成半导体元件。输入与输出之间以光为媒介来传输电信号，输入级与输出级只有光路联系没有电路连接，即输入与输出之间是高度绝缘的，有几干伏的隔离能力；又因光是单向传播的，使光耦也单向传输信号，干扰无法反向传导而产生影响。

当我们使用光耦作为输入信号接口时，主要是使用其高压隔离能力和电气回路隔断能力，可避免输入端引入的异常高压损坏单片机及其它核心器件，消除了环路干扰串入单片机系统；因输入级的红外LED，本质上是电流型器件，有相对较大的电流才会发光，有抵抗较小干扰的能力。对于较强的干扰电压，仍会和有用信号一起通过光路耦合到输出级，进而干扰单片机的工作，因此用光耦作为输入接口时，并非万事大吉，也要采取一些抗干扰措施。

当使用光耦作为输出接口时，这时才真正发挥了它的优势。其几千伏的隔离能力，使常见的高压电损伤不到核心器件，至多也就把光耦输出级干坏；光耦单向传输信号的特性，作为输出口使用就特别重要了，光耦输出级连接的外围电路，电路上无论产生何种性质与大小的干扰，都无法通过光耦串扰到单片机，这时的光耦才是真正的抗干扰器件。

光耦作为输入口接收开关量输入信号，作为输出口输出驱动信号，开关侧和驱动侧都要使用独立的电源或经隔离的电源，如和单片机系统使用统一的电源，光耦将失去隔开电气联系和抗干扰的作用，就只能称电平转换器了。

1.双向光耦的应用

单片机用于工业现场时，为切断与现场输入回路的电气联系，隔断可能引入的有害高压，以应对现场干扰，单片机开关量输入口要经光耦的有效隔离才能可靠地工作。现场的开关量既有干接点，也有无触点有源开关量，为了兼容NPN和PNP型有源开关量，且减少单片机系统对外引出端子，常采用如图一和图二所示的双向光耦（也称交流光耦），与普通光耦不同的是，它的输入级是两个反并联的红外LED，输入端不分正负极，这使外部开关的接线非常灵活方便，图一和图二为两种不同的连接方式，只要对调一下电源的极性，就可适应不同性质的有源开关量。

图一 双向光耦连接1

图二 双向光耦连接2

交流型光耦的输入级一般有几十皮法的结电容，在输入级并联合适电阻可以提高开关速度，改善输入波形；在光耦输出级，还配有滤波电路，可滤除通过电光电耦合过来的残余共模尖峰。

2.达林顿管光耦的应用

达林顿型光耦主要用于单片机控制器的数字量输出口，使被控对象与控制器之间无电气联系，不会通过电路引入干扰；光耦单向传递信号，阻隔了后向通道的反串干扰；光耦有几千伏的电压隔离能力，输出口出现的异常高压不会损坏控制器核心部件。达林顿光耦有50～150mA的驱动能力，集射极之间的耐压一般都大于30VDC，可以直接驱动常用的继电器。如图三所示，继电器线圈使用独立的DC24V电源，与控制器使用的DC5V、3.3V 电源无直接电气连接，经光耦和继电器的双重隔离，电机产生的电磁干扰就不会影响单片机正常工作。

图三 达林顿管光耦

3.光电晶闸管输出型光耦

当用单片机控制交流强电负载时，通常采用的方法是用单片机控制板载直流继电器，再用继电器触点控制交流负载，而交流负载往往是感性负载，当对其进行投切操作时，电感负载上电流的突然中断，电感储存的能量将消耗在触点火花放电中，这种放电会造成强烈的高频电磁干扰，而且直流继电器线圈突然断电也会产生浪涌干扰。因此，用板载继电器隔离强电负载并不是最优方案，比较好的方法是用晶闸管光耦进行隔离，再用光敏晶闸管触发双向可控硅，用双向可控硅对交流负载进行控制，如图四所示。

图四 光敏晶闸型光耦

在图四的双向晶闸管控制电路中，为了减小晶闸管导通时出现的高次谐波对电网的污染，防止干扰到其他用电设备，要求晶闸管在电源电压过零时触发双向晶闸管，为此，常选用带过零检测的光电双向晶闸管输出光耦，图四中的MOC3081就是带有过零探测电路的光耦，以保证在电网电压过零时触发双向可控硅BTB04A 。光耦的红外LED由单片机的P1.2口进行控制，P1.2为高电平时，在交流电零点附近触发TR导通，交流接触器KM1吸合，控制大功率设备工作；P1.2为低电平时，TR关断，KM1断开设备电源。图四中的R4是限流电阻，保证MOC3081输出电流不超出其1A的最大电流；R5是抗干扰电阻，R6和C1组成RC吸收回路，限制TR两端出现过高的电压上升率。过高的电压上升率，会使晶闸管误导通，并有可能损坏晶闸管。

4.光电三极管型通用光耦

步进电机是单片机系统常用的执行部件，利用电脉冲对旋转角度和转速进行控制，步进角度和转速受输入脉冲个数和脉冲频率控制。对中小功率步进电机，一般使用软件方式驱动，通过单片机编程输出脉冲电流来控制步进电机的步进。步进电机要求的脉冲电流比较大，通常使用达林顿管来驱动。达林顿管是复合晶体管，输入阻抗高，所需控制电流小，电流增益高，输出阻抗低，带载能力强。

步进电机各相驱动电流会进行频繁的通断切换，会造成电磁串扰，影响单片机稳定运行，要在输出控制口加入一级光电隔离，以切断步进电机驱动电路与单片机控制电路之间的电气联系，如图五所示。各绕组两端都要并联开关二极管，用于在达林顿管从导通转入截止的瞬间，吸收绕组中的反电动势能量，以免反电势击穿达林顿管及产生电磁干扰。

图五 光敏晶体管型通用光耦

5.集成电路型高速光耦

单片机与PC机之间的通信，以前都用梯形DB9插头，以RS232电平标准进行通信，而现在的笔记本电脑及很多台式机都取消了DB9插头，现在电脑普遍使用USB接口，用USB协议与外部设备交换数据。本例采用USB转串口芯片CH340G，实现单片机与PC通信。为实现高速、稳定的通信，使用高速光耦ELM611进行电气隔离，保证PC机与单片机系统之间没有直接的电气联系，消除环路干扰，减少彼此之间的相互干扰。本例使用的高速光耦具有10MBit/S的传输能力，在进行程序下载和数据交换时，可以使用1～5MHz的频率进行通信，比MAX232 芯片快了很多，图六为原理图，供参考。

图六 高速光耦

祝各位朋友虎年大吉，万事如意！

双向可控硅触发电路设计技巧经验分享

　　双向可控硅简介

　　“双向可控硅”：是在普通可控硅的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触发电路，是比较理想的交流开关器件。其英文名称TRIAC即三端双向交流开关之意。

　　双向可控硅特点及应用

　　双向可控硅可被认为是一对反并联连接的普通可控硅的集成，工作原理与普通单向可控硅相同。双向可控硅有两个主电极T1和T2，一个门极G，门极使器件在主电极的正反两个方向均可触发导通，所以双向可控硅在第1和第3象限有对称的伏安特性。双向可控硅门极加正、负触发脉冲都能使管子触发导通，因此有四种触发方式。双向可控硅应用为正常使用双向可控硅，需定量掌握其主要参数，对双向可控硅进行适当选用并采取相应措施以达到各参数的要求。

　　·耐压级别的选择：通常把VDRM（断态重复峰值电压）和VRRM（反向重复峰值电压）中较小的值标作该器件的额定电压。选用时，额定电压应为正常工作峰值电压的2~3倍，作为允许的操作过电压裕量。

　　·电流的确定：由于双向可控硅通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示它的额定电流值。由于可控硅的过载能力比一般电磁器件小，因而一般家电中选用可控硅的电流值为实际工作电流值的2~3倍。同时，可控硅承受断态重复峰值电压VDRM和反向重复峰值电压VRRM时的峰值电流应小于器件规定的IDRM和IRRM。

　　·通态（峰值）电压VTM的选择：它是可控硅通以规定倍数额定电流时的瞬态峰值压降。为减少可控硅的热损耗，应尽可能选择VTM小的可控硅。

　　·维持电流：IH是维持可控硅保持通态所必需的最小主电流，它与结温有关，结温越高，则IH越小。

　　·电压上升率的抵制：dv/dt指的是在关断状态下电压的上升斜率，这是防止误触发的一个关键参数。此值超限将可能导致可控硅出现误导通的现象。由于可控硅的制造工艺决定了A2与G之间会存在寄生电容。

　　双向可控硅构造原理

　　尽管从形式上可将双向可控硅看成两只普通可控硅的组合，但实际上它是由7只晶体管和多只电阻构成的功率集成器件。小功率双向可控硅一般采用塑料封装，有的还带散热板。典型产品有BCMlAM（1A/600V）、BCM3AM（3A/600V）、2N6075（4A/600V），MAC218-10（8A/800V）等。大功率双向可控硅大多采用RD91型封装。

　　双向可控硅属于NPNPN五层器件，三个电极分别是T1、T2、G。因该器件可以双向导通，故除门极G以外的两个电极统称为主端子，用T1、T2表示，不再划分成阳极或阴极。其特点是，当G极和T2极相对于T1，的电压均为正时，T2是阳极，T1是阴极。反之，当G极和T2极相对于T1的电压均为负时，T1变成阳极，T2为阴极。双向可控硅由于正、反向特性曲线具有对称性，所以它可在任何一个方向导通。

　　双向可控硅触发电路设计技巧

　　在用电器中，导体与半导体零件的选择是至关重要的。各类材质如何使用，要看我们对知识的掌握程度。一般来说，在一些功率较大、且链接在强电网络的用电器中，我们会选择双向可控硅。双向可控硅硅是一种功率半导体器件，也称双向晶闸管，在单片机控制系统中，可作为功率驱动器件，由于双向可控硅没有反向耐压问题，控制电路简单，因此特别适合做交流无触点开关使用。在今天的文章中，我们将会就双向可控硅的触发电路设计技巧展开简要介绍。

　　相信各位工程师们在可控硅电路的设计过程中都非常清楚的一点是，双向可控硅在用电器中触发电路的抗干扰问题很重要，通常都是通过光电耦合器将单片机控制系统中的触发信号加载到可控硅的控制极。为减小驱动功率和可控硅触发时产生的干扰，交流电路双向可控硅的触发常采用过零触发电路。过零触发是指在电压为零或零附近的瞬间接通。由于采用过零触发，因此上述电路还需要正弦交流电过零检测电路。

　　1、过零检测电路

　　图1和图2中主要介绍了双向可控硅使用的两种情况，我们可以清晰的看出，图1的目的是提高效率，而图2则显示了过零检测电路A、B两点电压输出波形。在图1中，为了提高效率，使触发脉冲与交流电压同步，要求每隔半个交流电的周期输出一个触发脉冲，且触发脉冲电压应大于4V，脉冲宽度应大于20us。图中BT为变压器，TPL521-2为光电耦合器，起隔离作用。当正弦交流电压接近零时，光电耦合器的两个发光二极管截止，三极管T1基极的偏置电阻电位使之导通，产生负脉冲信号，T1的输出端接到单片机80C51的外部中断0的输入引脚，以引起中断。在中断服务子程序中使用定时器累计移相时间，然后发出双向可控硅的同步触发信号。这样的电路检测就是过零检测电路。

　　2、过零触发电路

　　过零触发电路的图示就是图3，在图片中，我们可以看到光电耦合双向可控硅驱动器。光电偶尔双向可控硅驱动器是光电耦合器的一种，用来驱动双向可控硅BCR并且起到隔离的作用，R6为触发限流电阻，R7为BCR门极电阻，防止误触发，提高抗干扰能力。当单片机80C51的P1.0引脚输出负脉冲信号时T2导通，MOC3061导通，触发BCR导通，接通交流负载。另外，若双向可控硅接感性交流负载时，由于电源电压超前负载电流一个相位角，因此，当负载电流为零时，电源电压为反向电压，加上感性负载自感电动势el作用，使得双向可控硅承受的电压值远远超过电源电压。虽然双向可控硅反向导通，但容易击穿，故必须使双向可控硅能承受这种反向电压。一般在双向可控硅两极间并联一个RC阻容吸收电路，实现双向可控硅过电压保护，图3中的C2、R8为RC阻容吸收电路。

　　3、结束语

　　双向可控硅过零触发电路主要应用于单片机控制系统的交流负载控制电路，可以控制电炉、交流电机等大功率交流设备，经过实践证明工作安全、可靠。本文重点介绍了过零检测、触发电路。至于软件设计比较简单，当过零检测电路检测到过零时产生中断请求，只要在中断服务程序中通过单片机80C51的P1.0引脚发出触发脉冲即可触发双向可控硅导通。

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