光耦工作原理及幾種典型接法對(duì)比研究-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯光耦工作原理及幾種典型接法對(duì)比研究-設(shè)計(jì)應(yīng)用在一些實(shí)驗(yàn)室或高要求場(chǎng)合，為了實(shí)驗(yàn)人員的安全，一般將實(shí)驗(yàn)的輸入電源采用1：1的工頻變壓器與市電進(jìn)行隔離，這樣一來，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)人員無論碰到線路的哪一根線都不會(huì)有觸電的危險(xiǎn)，因?yàn)楦綦x電源與大地是沒有連接的。在工業(yè)控制設(shè)備中，有時(shí)候要求兩個(gè)系統(tǒng)之間的電源地線隔離，如隔離地線噪聲、隔離高共模電壓等，采用帶變壓器的直流變換器，將兩個(gè)電源之間隔開，使他們相互獨(dú)立。

在一般的隔離電源中，光耦隔離反饋是一種簡單、低成本的方式。但對(duì)于光耦反饋的各種連接方式及其區(qū)別，目前尚未見到比較深入的研究。而且在很多場(chǎng)合下，由于對(duì)光耦的工作原理理解不夠深入，光耦接法混亂，往往導(dǎo)致電路不能正常工作。本研究將詳細(xì)分析光耦工作原理，并針對(duì)光耦反饋的幾種典型接法加以對(duì)比研究。

1常見的幾種連接方式及其工作原理

光電耦合器具有體積小、使用壽命長、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強(qiáng)。無觸點(diǎn)且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點(diǎn)，因而在各種電子設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用。光電耦合器可用于隔離電路、負(fù)載接口及各種家用電器等電路中。

常用于反饋的光耦型號(hào)有TLP521、PC817等。這里以TLP521為例，介紹這類光耦的特性。

TLP521的原邊相當(dāng)于一個(gè)發(fā)光二極管，原邊電流If越大，光強(qiáng)越強(qiáng)，副邊三極管的電流Ic越大。副邊三極管電流Ic與原邊二極管電流If的比值稱為光耦的電流放大系數(shù)，該系數(shù)隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。

通常選擇TL431結(jié)合TLP521進(jìn)行反饋。這時(shí)，TL431的工作原理相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)為2.5V的電壓誤差放大器，所以在其1腳與3腳之間，要接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

常見的光耦反饋第1種接法，如圖1所示。注意左邊的地為輸出電壓地，右邊的地為芯片供電電壓地，兩者之間用光耦隔離。

圖1所示接法的工作原理如下：當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，TL431的1腳（相當(dāng)于電壓誤差放大器的反向輸入端）電壓上升，3腳電壓下降，光耦TLP521的原邊電流If增大，光耦的另一端輸出電流Ic增大，電阻R4上的電壓降增大，com引腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減小；反之，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，調(diào)節(jié)過程類似。

常見的第2種接法，如圖2所示。與第1種接法不同的是，該接法中光耦的第4腳直接接到芯片的誤差放大器輸出端，而芯片內(nèi)部的電壓誤差放大器必須接成同相端電位高于反相端電位的形式，利用運(yùn)放的一種特性——當(dāng)運(yùn)放輸出電流過大（超過運(yùn)放電流輸出能力）時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓值將下降，輸出電流越大，輸出電壓下降越多。

圖2所示接法的工作原理是：當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，原邊電流If增大，輸出電流Ic增大，由于Ic已經(jīng)超過了電壓誤差放大器的電流輸出能力，com腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減小；反之，當(dāng)輸出電壓下降時(shí)，調(diào)節(jié)過程類似。

常見的第3種接法，如圖3所示。與圖1基本相似，不同之處在于圖3中多了一個(gè)電阻R6，該電阻的作用是對(duì)TL431額外注入一個(gè)電流，避免TL431因注入電流過小而不能正常工作。

常見的第4種接法，如圖4所示。該接法與第2種接法類似，區(qū)別在于com端與光耦第4腳之間多接了一個(gè)電阻R4，其作用與第3種接法中的R6一致，其工作原理基本同接法2。

2各種接法的比較

在比較之前，需要對(duì)實(shí)際的光耦TLP521的幾個(gè)特性曲線作一下分析。首先是Ic-Vce曲線，如圖5，圖6所示。

由圖5、圖6可知，當(dāng)If小于5mA時(shí)，If的微小變化都將引起Ic與Vce的劇烈變化，光耦的輸出特性曲線平緩。這時(shí)如果將光耦作為電源反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分，其傳遞函數(shù)增益非常大。

此外，還需要分析光耦的Ic-If曲線，如圖7所示。

由圖7可以看出，在電流If小于10mA時(shí)，Ic-If基本不變，而在電流If大于10mA之后，光耦開始趨向飽和，Ic-If的值隨著If的增大而減小。對(duì)于一個(gè)電源系統(tǒng)來說，如果環(huán)路的增益是變化的，則將可能導(dǎo)致不穩(wěn)定，所以將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在If過大處（從而輸出特性容易飽和），也是不合理的。

由圖8可以看出，在If大于5mA時(shí)，Ic-Ta曲線基本上是互相平行的。

根據(jù)上述分析，以下針對(duì)不同的典型接法，對(duì)比其特性以及適用范圍。本研究以實(shí)際的隔離半橋輔助電源及反激式電源為例說明。

第1種接法中，接到電壓誤差放大器輸出端的電壓是外部電壓經(jīng)電阻R4降壓之后得到，不受電壓誤差放大器電流輸出能力影響，光耦的工作點(diǎn)選取可以通過其外接電阻隨意調(diào)節(jié)。

按照前面的分析，令電流If的靜態(tài)工作點(diǎn)值大約為10mA，對(duì)應(yīng)的光耦工作溫度在0～100℃變化，值在20～15mA之間。電阻R1與R2的值容易選取，這里取為27k與4.7k。

實(shí)驗(yàn)中，半橋輔助電源輸出負(fù)載為控制板上的各類控制芯片，加上多路輸出中各路的死負(fù)載，的實(shí)際功率大約為30w。實(shí)際測(cè)得的光耦4腳電壓（此電壓與芯片三角波相比較，從而決定驅(qū)動(dòng)占空比）波形，如圖9所示。對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，如圖10所示。

圖10的驅(qū)動(dòng)波形有負(fù)電壓部分，是由于上、下管的驅(qū)動(dòng)繞在一個(gè)驅(qū)動(dòng)磁環(huán)上的緣故?？梢钥闯?，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比比較大，大約為0.7。

對(duì)于第2種接法，一般芯片內(nèi)部的電壓誤差放大器，其電流輸出能力為3mA左右，超過這個(gè)電流值，誤差放大器輸出的電壓將下降。所以，該接法中，如果電源穩(wěn)態(tài)占空比較大，那么電流Ic比較小，其值可能僅略大于3mA，對(duì)應(yīng)圖7，Ib為2mA左右。由圖6可知，Ib值較小時(shí)，微小的Ib變化將引起Ic劇烈變化，光耦的增益非常大，這將導(dǎo)致閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)不容易穩(wěn)定。而如果電源穩(wěn)態(tài)占空比比較小，光耦的4腳電壓比較小，對(duì)應(yīng)電壓誤差放大器的輸出電流較大，也就是Ic比較大（遠(yuǎn)大于3mA），則對(duì)應(yīng)的Ib也比較大，同樣對(duì)應(yīng)于圖6，當(dāng)Ib值較大時(shí)，對(duì)應(yīng)的光耦增益比較適中，閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)比較容易穩(wěn)定。

實(shí)際上，第2種接法在反激電路中比較常見，這是由于反激電路一般都出于效率考慮，電路通常工作于斷續(xù)模式，驅(qū)動(dòng)占空比比較小，對(duì)應(yīng)光耦電流Ic比較大，參考以上分析可知，閉環(huán)環(huán)路也比較容易穩(wěn)定。

以下是另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)反激電路，工作在斷續(xù)模式，實(shí)際測(cè)得其光耦4腳電壓波形，如圖12所示。實(shí)際測(cè)得的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，如圖13所示，占空比約為0.2。

因此，在光耦反饋設(shè)計(jì)中，除了要根據(jù)光耦的特性參數(shù)來設(shè)置其外圍參數(shù)外，還應(yīng)該知道，不同占空比下對(duì)反饋方式的選取也是有限制的。反饋方式