光耦在智能電能表中的應(yīng)用研究

高希棟

（北京魯能物業(yè)服務(wù)有限責(zé)任公司福州分公司工程部，福建福州350012）

0 引言

為了保障用戶的用電安全、電費(fèi)的科學(xué)管理、用電線路的維護(hù)，國(guó)家電網(wǎng)公司要求儀表行業(yè)研制各種型號(hào)的智能電表。為了能使智能電表安全可靠地運(yùn)行，就要求采用一定的設(shè)計(jì)方法將強(qiáng)電電路與電表通信接口電路等弱電電路進(jìn)行有效的隔離，尤其是在本地預(yù)付費(fèi)智能電表的IC卡口遭到惡意破壞和非法插卡及其他信號(hào)非法干擾的情況下，如果不能及時(shí)有效地識(shí)別非法插卡、排除干擾，保護(hù)電表中的通信接口電路，將是相當(dāng)危險(xiǎn)的。

光耦即光電耦合器，它是以光信號(hào)來傳輸電信號(hào)，當(dāng)輸入端加上一定的電信號(hào)導(dǎo)致發(fā)光二級(jí)管發(fā)出光線，受光三級(jí)管接收光線就會(huì)導(dǎo)通產(chǎn)生所需的輸出信號(hào)。電信號(hào)的傳輸具有單向性，能夠把輸入端的信號(hào)與輸出端的信號(hào)完全隔離起來，而且光耦具有體積小、壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此得以廣泛應(yīng)用。

1 光耦簡(jiǎn)介

光電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（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，光敏三極管受到光照射，阻值變小，再加上外圍電源電路，產(chǎn)生電流，這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到了輸入、輸出、隔離的作用。由于光電耦合器輸入、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。又由于光電耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。

2 智能電能表中的通信接口電路

在智能電表的設(shè)計(jì)中，國(guó)網(wǎng)公司出于安全考慮，要求強(qiáng)電端子和弱電的輔助端子進(jìn)行隔離，因此需要用到光耦作為隔離器件。由于智能電表的使用環(huán)境及特性，在使用光耦時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)情況：

2.1 工作溫度

電表的極限工作溫度為-45～80℃。此溫度條件光耦一般都能達(dá)到，但需考慮高溫情況下電流傳輸比的相對(duì)減小。

2.2 電流傳輸比

電流傳輸比CTR（currenttransferratio）是光耦比較重要的一個(gè)參數(shù)，電表中一般使用的電流傳輸比為300%～600%。通俗意義上說，就是電流的放大倍數(shù)。知道了CTR，才能選擇合適的輸入、輸出端匹配電阻。比如圖1中的485通信光耦隔離電路的電阻選擇，智能電表中的通信接口主要采用RS485進(jìn)行通信，因此可以在控制器與485收發(fā)器中間接入光耦進(jìn)行隔離，即使通信網(wǎng)絡(luò)受到強(qiáng)干擾，最惡劣的情況也只是損壞485收發(fā)器，而不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電表的損壞。

圖1 485通信光耦隔離電路

對(duì)應(yīng)于圖1中U9兩端的參數(shù)為R82、R84和R85，上述三個(gè)因子對(duì)光耦輸出信號(hào)的上升沿、下降沿均有影響，定量計(jì)算上述參數(shù)對(duì)信號(hào)上升沿、下降沿的影響比較復(fù)雜。

光耦兩端參數(shù)的計(jì)算（以優(yōu)化后的電阻參數(shù)作為計(jì)算依據(jù)）：以接收回路為例，光耦驅(qū)動(dòng)側(cè)的電源電壓為5V，光耦正向壓降受溫度影響極限值為1.2V，限流電阻采用2.2kΩ、1%精度[1]，考慮100ppm溫漂影響，對(duì)應(yīng)的最小正向電流為：

根據(jù)光耦技術(shù)手冊(cè)，在1.69mA時(shí)對(duì)應(yīng)的傳輸比CTR為90%，在技術(shù)手冊(cè)給出的測(cè)試條件VCE=5V、IF=5mA時(shí)對(duì)應(yīng)的CTR為120%，選取的LTV816-D光耦對(duì)應(yīng)在典型測(cè)試條件下的CTR下限值為300%，推算出其在1.69mA的CTR約為：

考慮光耦的溫度特性影響率75%，十年衰減率20%，線性區(qū)減小20%，那么后端最大通過電流約為：

IC=1.69mA×225%×75%×（1-20%）×（1-20%）≈1.83mA

光耦處于深度飽和狀態(tài)下輸出側(cè)CE兩端壓降典型值0.2V受溫度影響能下降到0.1V，輸出側(cè)工作電壓為5V，電阻采用1%精度，則保證光耦處于飽和狀態(tài)對(duì)應(yīng)的最小限流電阻為：

計(jì)算得到的最小限流電阻大于優(yōu)化參數(shù)值R81=1.8kΩ。

2.3 開關(guān)速率

光耦的輸出端為光敏三極管，輸入端相當(dāng)于發(fā)光二極管，光耦輸出端導(dǎo)通與斷開的反應(yīng)時(shí)間和電路中的電流大小及光敏三極管工作在放大區(qū)域還是飽和區(qū)域有關(guān)[2-3]。

光耦U9導(dǎo)通時(shí)（測(cè)量時(shí)將R84斷開），R82=2.2kΩ，取VF=，對(duì)應(yīng)的CTR=81.1%，因此IC=CTR×IF=81.1%×1.78mA≈1.44mA，R85=1.8kΩ，485芯片供電電壓為5V，即VCE=5V-IC×R85≈2.41V。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果得到VCE＞0.7V，即光耦已經(jīng)退出飽和區(qū)，進(jìn)入放大區(qū)，因此需按照線性區(qū)對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)應(yīng)的VCE=5V-CTR×IF×R85≈0.68V，計(jì)算得到的VCE明顯處于飽和區(qū)，與選擇的線性區(qū)CTR參數(shù)不符，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，上述條件下VCE≈0.9V，即光耦處于放大區(qū)與飽和區(qū)的邊界。

由于實(shí)際使用TTL門電路及CMOS門電路（供電電壓為5V條件下）輸入低電平閾值約為1.1V（供電電壓為5V條件下），所以在CTR=300%、70℃及使用優(yōu)化參數(shù)條件下光耦輸出端電平特性可以滿足上述門電路輸入閾值要求。

在通信波特率為2400bps的情況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形如圖2、圖3所示。

圖2 發(fā)射回路485輸出波形

圖3 接收回路485輸出波形

3 結(jié)語

本文通過分析光耦參數(shù)和相關(guān)理論計(jì)算得出光耦電路的相關(guān)參數(shù)，能夠使485通信電路在全溫度范圍內(nèi)運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠，對(duì)RS485通信電路的設(shè)計(jì)和選擇不同品牌的光耦型號(hào)具有指導(dǎo)意義。

［參考文獻(xiàn)］

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[3]劉光祜，饒妮妮.模擬電路基礎(chǔ)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2003.