光电隔离

小编前言

据小编所知当前工业应用环境中存在着许多不小的瞬变脉冲，这些瞬变脉冲会影响到数据的传输，甚至伤害互连的设备，为了能够在高速现场总线通信得到无错误的数据传输，工业系统设计工程师必须要对这些干扰进行处理，通常会使用具有绝缘隔离功能的光电耦合器来维持数据的完整性并保护互连设备。

光电隔离介绍

光电隔离器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。

这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。

           

                              图1.光电隔离器工作原理

由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。

光耦合器的主要优点

信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。

光电隔离电路的作用

是在电隔离的情况下,以光为媒介传送信号，对输入和输出电路可以进行隔离，因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。

                                图2. 光电隔离器应用

电压、电流、温度、压力、应力及流量等测量是工业及过程控制应用中的重要组成部分。此类应用环境常会涉及危险级电压、瞬态信号、共模电压及不稳定地电位，可能会损坏测量系统，降低测量精度。为了克服以上缺陷，工业应用中的测量系统设计会加入电气隔离。本白皮书集中讨论模拟测量中的隔离，解答隔离应用中的常见问题，还将涉及不同隔离方式的技术实现。

光电隔离的意义

电气意义上的隔离是将暴露于危险电压1的传感器信号与测试系统的低压背板隔开。隔离能够提供许多优势，包括：

l 保护昂贵设备、用户及数据不受瞬态电压的危及。

l 改善噪声抑制能力

l 消除接地环路

l 提高共模电压抑制

                            图3.光电隔离电路

隔离型测量系统为模拟前端和系统底板提供分离的接地面，将传感器的测量与系统的其它部分隔离开。隔离前端的接地是悬空的引脚，可工作于大地接地以外的电压。图1为模拟电压测量设备。传感器地与测试系统地之间的任何共模电压都能被抑制，从而避免了接地环路的引起和噪声对传感器线路造成影响。

什么情况下采用隔离

l 以下的测量系统需要考虑隔离：

l 与危险电压邻接

l 可能产生瞬态电压的工业环境

l 存在共模电压或不稳定地电位的环境

l 电气噪声环境，如存在工业电机

瞬态敏感的应用，必须避免在测量系统中出现电压尖峰

工业测量、过程控制、及自动化测试是存在共模电压、高瞬态电压、及电气噪声的典型应用。具有隔离的测量设备能够在严酷环境下提供可靠的测量。针对与患者直接接触的医疗设备，隔离能够有效避免设备中瞬态功率的传输。

根据用户对电压及数据率的要求，隔离测量可以有多种选择。用户可选择用于笔记本、桌面PC、工业PC、PXI、平板PC、及CompactPCI的插入式板，它具有内置隔离或外置信号调理。用户也可通过可编程自动控制器(PACs)及USB测量系统来实现隔离测量。

实现隔离的方法

隔离要求信号通过隔离阻障传输，不能有直接电气连接。常用的非接触式信号传输器件有发光二极管(LED)、电容、电感等。此类器件的基本原理即是最常见的三种隔离技术：光电、电容、及电感耦合。LED能在通电时发光。光电隔离利用LED与光电探测设备实现隔离阻障，通过光来传输信号。

光电探测设备接受LED发出的光信号，再将其转换成原始电信号。光电隔离是最常用的隔离方法。使用光电隔离的优势是能够避免电气与磁场噪声。而缺点则是传输速度受限于LED的转换速度、高功率散射及LED磨损。