光電耦合直流控制電路及其應用

　　1概述

　　光耦（opticalcoupler）亦稱光電隔離器、光耦合器或光電耦合器。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當輸入端加電信號時發(fā)光二極管發(fā)出光線，光敏三極管接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電—光—電轉(zhuǎn)換。典型應用電路如下圖1-1所示。

　　光耦的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了前端與負載完全的電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，減小電路干擾，簡化電路設(shè)計，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來的新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。

　　圖1_1 光耦開關(guān)控制直流電機輸入電路圖

　　2光耦典型電路

　　常用于反饋的光耦型號有TLP521、PC817等。這里以TLP521為例，介紹這類光耦的特性。圖2-1所示為光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖以及引腳圖。

　　TLP521的原邊相當于一個發(fā)光二極管，原邊電流If越大，光強越強，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。作反饋用的光耦正是利用“原邊電流變化將導致副邊電流變化”來實現(xiàn)反饋，因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場合，由于放大系數(shù)的溫漂比較大，應盡量不通過光耦實現(xiàn)反饋。此外，使用這類光耦必須注意設(shè)計外圍參數(shù)，使其工作在比較寬的線性帶內(nèi)，否則電路對運行參數(shù)的敏感度太強，不利于電路的穩(wěn)定工作。

　　通常選擇TL431結(jié)合TLP521進行反饋。這時，TL431的工作原理相當于一個內(nèi)部基準為2.5 V的電壓誤差放大器（輸出的電壓進行誤差放大比較，然后將取樣電壓經(jīng)過光電偶合器反饋控制脈寬占空比，達到穩(wěn)定電壓的目的），所以在其1腳與3腳之間，要接補償網(wǎng)絡。

　　圖2-1 TLP521內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳圖

　　TL431是由德州儀器生產(chǎn)的可控精密穩(wěn)壓源，實物如圖2-3所示。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設(shè)置到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應用中用它代替穩(wěn)壓二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路，可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等。圖2-2所示為TL431引腳排列與使用連線圖。

　　圖2-2 TL431引腳排列與使用連線

　　常見的光耦反饋第1種接法。Vo為輸出電壓，Vd為芯片的供電電壓。com信號接芯片的誤差放大器輸出腳。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2-3所示接法的工作原理如下：當輸出電壓升高時，TL431的1腳（相當于電壓誤差放大器的反向輸入端）電壓上升，3腳（相當于電壓誤差放大器的輸出腳） 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??；反之，當輸出電壓降低時，調(diào)節(jié)過程類似。

　　圖2-3 光耦反饋的第1、第2種接法

　　常見的第2種接法，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，利用運放的一種特性—當運放輸出電流過大（超過運放電流輸出能力）時，運放的輸出電壓值將下降，輸出電流越大，輸出電壓下降越多。因此，采用這種接法的電路，一定要把PWM（脈沖寬度調(diào)制）芯片的誤差放大器的兩個輸入引腳接到固定電位上，且必須是同向端電位高于反向端電位，使誤差放大器初始輸出電壓為高。圖2-3所示接法的工作原理是：當輸出電壓升高時，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??；反之，當輸出電壓下降時，調(diào)節(jié)過程類似。

　　常見的第3種接法，如圖2-4所示。與第一種基本相似，不同之處在于多了一個電阻R6，該電阻的作用是對TL431額外注入一個電流，避免TL431因注入電流過小而不能正常工作。實際上如適當選取電阻值R3，電阻R6可以省略。調(diào)節(jié)過程基本上同1接法一致。

　　常見的第4種接法，如圖2-4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。

　　圖2-4 光耦反饋的第3、第4種接法

　　反饋方式1、3適用于任何占空比（接通時間與周期之比）情況，而反饋方式2、4比較適合于在占空比比較小的場合使用。

　　3總結(jié)

　　開關(guān)電源的光耦主要是隔離、提供反饋信號和開關(guān)作用。開關(guān)電源電路中光耦的電源是從高頻變壓器次級電壓提供的，當輸出電壓低于穩(wěn)壓管電壓是給信號光耦接通，加大占空比，使得輸出電壓升高；反之則關(guān)斷光耦減小占空比，使得輸出電壓降低。旦高頻變壓器次級負載超載或開關(guān)電路有故障，就沒有光耦電源提供，光耦就控制著開關(guān)電路不能起振，從而保護開關(guān)管不至被擊穿燒毀。

　　圖3-1 LED電源驅(qū)動芯片TMG0165電路設(shè)計

　　通常光耦與TL431一起使用。上圖3-1是LED電源驅(qū)動芯片（開關(guān)電源芯片） TMG0165的電路設(shè)計。兩電阻串聯(lián)取樣到TL431R端與內(nèi)部比較器進行比較。然后根據(jù)比出的信號再控制TL431K端（陽極接光耦那一端）對地的電阻，然后達到控制光耦內(nèi)部發(fā)光二極管的亮度。（光耦內(nèi)部一邊是一發(fā)光二極管，一邊是一光敏三極管）通過發(fā)光的強度。控制另一端三極管的CE端的電阻也就是改變了LED電源驅(qū)動芯片（開關(guān)電源芯片）TMG0165檢測腳的電流（1腳：電壓反饋引腳，通過連接光耦到地來調(diào)整占控比）。根據(jù)電流的大小，LED電源驅(qū)動芯片（開關(guān)電源芯片） TMG0165就會自動調(diào)整輸出信號的占空比，達到穩(wěn)壓的目的。