光電耦合器在開關(guān)電源技術(shù)中的應(yīng)用

時 勇，蔣曉冬，劉承鑫，沙 斌

（國網(wǎng)上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201499）

0 引 言

在開關(guān)電器中，光電耦合器（Optical Coupler，OC）十分常見，其可以具體劃分為線性和非線性兩類，不同種類的光電耦合器在電流傳輸特點和用途等方面存在一定差異。通常情況下，線性光電耦合器輸送電流的形式為直線式，信號的穩(wěn)定性較差，而非線性光電耦合器的作用主要是傳遞開關(guān)信號。為此，在實際的應(yīng)用過程中必須要結(jié)合現(xiàn)實需求選擇合理的光電耦合器類型，以此提升電源的負(fù)載能力。

1 光電耦合器的工作原理

在電信號的傳輸中，光作為一種載體發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，光電耦合器不僅能夠確保信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，還具備了適用范圍廣的特點。光電耦合器的類型多樣，能夠在不同需求下為開關(guān)電源技術(shù)提供強力支撐，主要由發(fā)射器、接收器以及信號放大裝置等組成，依托于各個設(shè)備器件共同作用，以此實現(xiàn)電信號的有效傳播。事實上，在電信號的輸出過程中，本身受到的外界干擾因素較少，且具有一定的絕緣效果[1]。

2 開關(guān)電源常見的光電耦合器反饋接法

開關(guān)電源中光電耦合器的反饋接法如圖1所示。

圖1 光電耦合器反饋接法圖

圖中，Uo表示輸出電壓，Ud表示供電電壓，com表示誤差放大器輸出腳。光電耦合器隔離的左右兩側(cè)分別為輸出電壓地和芯片供電電壓地[2]。

3 光電耦合器TLP521特性曲線分析

光耦反饋接法比較前，需要對光耦特性曲線分析，特性曲線如圖2所示。

圖2 光電耦合器特性曲線

立足于不同連接方式，分析多方面影響因素，深刻了解光電耦合器的作用，并把握其在不同情境下的應(yīng)用可行性。針對反饋接法來說，其位置是動態(tài)化的，實際的選擇較為自由，在應(yīng)用過程中外接電阻具有至關(guān)重要的作用[3]。

4 開關(guān)電源光電耦合器的選型

在設(shè)計的時候，設(shè)計人員應(yīng)多方面考慮影響因素，確保開關(guān)電源的實用性和安全性。結(jié)合現(xiàn)實需求，合理選擇型號，并合理調(diào)整參數(shù)，可以依據(jù)如下原則。（1）確保電流傳輸比在合理范圍內(nèi)。當(dāng)CTR低于50%時，應(yīng)在光電耦合器中調(diào)節(jié)參數(shù)，使得工作電流增大，以此減少能耗。如果啟動電路發(fā)生改變或者負(fù)載出現(xiàn)變化以及有不同程度的外接干擾信號，則可能造成開關(guān)電源誤觸發(fā)，給正常的輸出工作造成影響[4]。（2）電流傳輸比可做線性調(diào)整。選擇線性光電耦合器時，其電流傳輸?shù)谋戎悼梢越Y(jié)合現(xiàn)實需求做出調(diào)整。處于不同的工作環(huán)境之下，設(shè)計人員可通過改變系統(tǒng)參數(shù)，有效保證電路輸出的可靠性。目前，4N系列光電耦合器大部分都呈現(xiàn)開關(guān)特性，線性度較差，在使用過程中雖然能夠滿足相關(guān)要求，如傳輸數(shù)字信號高、低電平，但是可靠性較低。（3）與編碼器匹配。PLC或者控制器的高速計數(shù)口有的只能接收PNP信號，所以必須要讓二者的計數(shù)口相匹配，這樣才能確保信號接收的暢通順利[5]。

5 電路中光電耦合器的影響因素及解決措施

5.1 影響因素

5.1.1 溫 度

光電耦合器屬于電流轉(zhuǎn)移器件，在光電流的控制下，它和雙極型晶體管在輸出特征方面幾乎一致，兼具電隔離功能，可以將其作為放大器使用。與此同時，其線性工作范圍覆蓋面積較小，在不同的溫度變化下，發(fā)射的電流系數(shù)也不一樣。

5.1.2 電 容

光電耦合器在實際使用過程中必須要充分考慮電容帶來的影響，若不加以考慮，則開關(guān)電源技術(shù)在具體的應(yīng)用過程中就會出現(xiàn)或多或少的問題，如速度減慢和靈敏度降低等[6,7]。

5.2 消除措拖

5.2.1 采用負(fù)反饋電路消除溫度影響

由于靜態(tài)操作與晶體管放大電路之間存在一定的聯(lián)系，因此工作人員需在把握二者關(guān)系的基礎(chǔ)上實施溫度控制，確保溫度數(shù)值處于穩(wěn)定狀態(tài)。通過使用負(fù)反饋電路使得共發(fā)射極電流傳遞系數(shù)得到改變時，集電極反向飽和電流也會相應(yīng)改變。

5.2.2 采用負(fù)反饋電路消除電容影響

設(shè)計人員可以在合適的位置上增加正反饋電路，并適當(dāng)提高導(dǎo)通電壓，有效縮減開關(guān)時間，消除電容帶來的負(fù)面影響，使開關(guān)電源器件更加靈敏。

6 開關(guān)電源中光電耦合器的應(yīng)用

在開關(guān)電源技術(shù)的應(yīng)用過程中，為了充分發(fā)揮光電耦合器的效用，工作人員必須要充分把握二者的應(yīng)用原理，結(jié)合現(xiàn)實需求展開分析，發(fā)揮光電耦合器的優(yōu)勢，以此降低外界干擾因素，為其優(yōu)質(zhì)化應(yīng)用提供良好的條件。如果高頻變壓器二次負(fù)載過載，或者是開關(guān)電路工作不夠順利，則光電耦合器不能正常工作。從另一個角度來說，一旦光電耦合器電源非正常運行，則起振現(xiàn)象僅在理論層面顯現(xiàn)，開關(guān)光源技術(shù)實踐中難以提高起振有效性。光電耦合器可以將光信號轉(zhuǎn)換為電信號進行傳輸，輸入端為發(fā)光二極管。工作人員在總結(jié)分析光電耦合器的輸入特性時，可以先描述發(fā)光二極管的伏安特性，再總結(jié)光電耦合器的輸入規(guī)律，以此提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。光電耦合器的輸出端為光敏三極管，可以根據(jù)其伏安特性推理得出光耦輸出端的輸出特性。

光耦的工作區(qū)域細(xì)分為多種類型，在不同工作區(qū)域的效能有顯著差異。確認(rèn)存在非線性工作區(qū)后，直接用于傳輸模擬量，精度較差。綜合分析兩個光電耦合器（T1、T2）和兩個射極跟隨器（A1、A2），如果二者同型號同批次，則T1和T2的非線性傳輸特性相同，即K1(I1)=K2(I1)[8,9]。

7 光電耦合器在開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用的前景及未來趨勢

電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使得開關(guān)電源技術(shù)水平得到不斷提升。開關(guān)電源由脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制IC和MOSFET組成，為了確保開關(guān)電源技術(shù)在實際的應(yīng)用中處于穩(wěn)定，光電耦合器是不可忽視的一環(huán)。在未來的發(fā)展趨勢中，配合智能化技術(shù)，開關(guān)電源的特點會逐漸演化為小型化、輕量化以及便攜式。要想在保證電流電壓傳輸穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，進一步擴大其應(yīng)用范圍，設(shè)計人員就應(yīng)站在用戶角度上，充分分析相關(guān)影響因素，發(fā)揮出光電耦合器的應(yīng)用優(yōu)勢，推動開關(guān)電源技術(shù)的正向發(fā)展，從而推動應(yīng)用更加智能化，提升用戶滿意度。與此同時，設(shè)計人員還要采取有效措施，提高功率密度和電源轉(zhuǎn)換效率等，促使光電耦合器朝著高速化與高性能的方向發(fā)展[10]。

8 結(jié) 論

光電耦合器不僅在電路中起著隔離作用，還能保護開關(guān)管。為此，光電耦合器作為開關(guān)電源電路中的重要組成，通過深入探討和把握其應(yīng)用原理和影響因素，充分了解其優(yōu)勢，并加大對其應(yīng)用實踐的探索，對于未來的應(yīng)用具有重要意義。