關(guān)于單片機系統(tǒng)中光耦的作用

光電耦合器亦稱光電隔離器，簡稱光耦或光隔。其輸入為發(fā)光器，多為紅外 LED，輸出為受光器，為各種類型的光敏半導體及集成半導體元件。輸入與輸出之間以光為媒介來傳輸電信號，輸入級與輸出級只有光路聯(lián)系沒有電路連接，即輸入與輸出之間是高度絕緣的，有幾干伏的隔離能力；又因光是單向傳播的，使光耦也單向傳輸信號，干擾無法反向傳導而產(chǎn)生影響。

當我們使用光耦作為輸入信號接口時，主要是使用其高壓隔離能力和電氣回路隔斷能力，可避免輸入端引入的異常高壓損壞單片機及其它核心器件，消除了環(huán)路干擾串入單片機系統(tǒng)；因輸入級的紅外LED，本質(zhì)上是電流型器件，有相對較大的電流才會發(fā)光，有抵抗較小干擾的能力。對于較強的干擾電壓，仍會和有用信號一起通過光路耦合到輸出級，進而干擾單片機的工作，因此用光耦作為輸入接口時，并非萬事大吉，也要采取一些抗干擾措施。

當使用光耦作為輸出接口時，這時才真正發(fā)揮了它的優(yōu)勢。其幾千伏的隔離能力，使常見的高壓電損傷不到核心器件，至多也就把光耦輸出級干壞；光耦單向傳輸信號的特性，作為輸出口使用就特別重要了，光耦輸出級連接的外圍電路，電路上無論產(chǎn)生何種性質(zhì)與大小的干擾，都無法通過光耦串擾到單片機，這時的光耦才是真正的抗干擾器件。

光耦作為輸入口接收開關(guān)量輸入信號，作為輸出口輸出驅(qū)動信號，開關(guān)側(cè)和驅(qū)動側(cè)都要使用獨立的電源或經(jīng)隔離的電源，如和單片機系統(tǒng)使用統(tǒng)一的電源，光耦將失去隔開電氣聯(lián)系和抗干擾的作用，就只能稱電平轉(zhuǎn)換器了。

1.雙向光耦的應用

單片機用于工業(yè)現(xiàn)場時，為切斷與現(xiàn)場輸入回路的電氣聯(lián)系，隔斷可能引入的有害高壓，以應對現(xiàn)場干擾，單片機開關(guān)量輸入口要經(jīng)光耦的有效隔離才能可靠地工作?，F(xiàn)場的開關(guān)量既有干接點，也有無觸點有源開關(guān)量，為了兼容NPN和PNP型有源開關(guān)量，且減少單片機系統(tǒng)對外引出端子，常采用如圖一和圖二所示的雙向光耦（也稱交流光耦），與普通光耦不同的是，它的輸入級是兩個反并聯(lián)的紅外LED，輸入端不分正負極，這使外部開關(guān)的接線非常靈活方便，圖一和圖二為兩種不同的連接方式，只要對調(diào)一下電源的極性，就可適應不同性質(zhì)的有源開關(guān)量。

圖一雙向光耦連接1

圖二雙向光耦連接2

交流型光耦的輸入級一般有幾十皮法的結(jié)電容，在輸入級并聯(lián)合適電阻可以提高開關(guān)速度，改善輸入波形；在光耦輸出級，還配有濾波電路，可濾除通過電光電耦合過來的殘余共模尖峰。

2.達林頓管光耦的應用

達林頓型光耦主要用于單片機控制器的數(shù)字量輸出口，使被控對象與控制器之間無電氣聯(lián)系，不會通過電路引入干擾；光耦單向傳遞信號，阻隔了后向通道的反串干擾；光耦有幾千伏的電壓隔離能力，輸出口出現(xiàn)的異常高壓不會損壞控制器核心部件。達林頓光耦有50～150mA的驅(qū)動能力，集射極之間的耐壓一般都大于30VDC，可以直接驅(qū)動常用的繼電器。如圖三所示，繼電器線圈使用獨立的DC24V電源，與控制器使用的DC5V、3.3V 電源無直接電氣連接，經(jīng)光耦和繼電器的雙重隔離，電機產(chǎn)生的電磁干擾就不會影響單片機正常工作。

圖三達林頓管光耦

3.光電晶閘管輸出型光耦

當用單片機控制交流強電負載時，通常采用的方法是用單片機控制板載直流繼電器，再用繼電器觸點控制交流負載，而交流負載往往是感性負載，當對其進行投切操作時，電感負載上電流的突然中斷，電感儲存的能量將消耗在觸點火花放電中，這種放電會造成強烈的高頻電磁干擾，而且直流繼電器線圈突然斷電也會產(chǎn)生浪涌干擾。因此，用板載繼電器隔離強電負載并不是最優(yōu)方案，比較好的方法是用晶閘管光耦進行隔離，再用光敏晶閘管觸發(fā)雙向可控硅，用雙向可控硅對交流負載進行控制，如圖四所示。

圖四光敏晶閘型光耦

在圖四的雙向晶閘管控制電路中，為了減小晶閘管導通時出現(xiàn)的高次諧波對電網(wǎng)的污染，防止干擾到其他用電設備，要求晶閘管在電源電壓過零時觸發(fā)雙向晶閘管，為此，常選用帶過零檢測的光電雙向晶閘管輸出光耦，圖四中的MOC3081就是帶有過零探測電路的光耦，以保證在電網(wǎng)電壓過零時觸發(fā)雙向可控硅BTB04A 。光耦的紅外LED由單片機的P1.2口進行控制，P1.2為高電平時，在交流電零點附近觸發(fā)TR導通，交流接觸器KM1吸合，控制大功率設備工作；P1.2為低電平時，TR關(guān)斷，KM1斷開設備電源。圖四中的R4是限流電阻，保證MOC3081輸出電流不超出其1A的最大電流；R5是抗干擾電阻，R6和C1組成RC吸收回路，限制TR兩端出現(xiàn)過高的電壓上升率。過高的電壓上升率，會使晶閘管誤導通，并有可能損壞晶閘管。

4.光電三極管型通用光耦

步進電機是單片機系統(tǒng)常用的執(zhí)行部件，利用電脈沖對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)速進行控制，步進角度和轉(zhuǎn)速受輸入脈沖個數(shù)和脈沖頻率控制。對中小功率步進電機，一般使用軟件方式驅(qū)動，通過單片機編程輸出脈沖電流來控制步進電機的步進。步進電機要求的脈沖電流比較大，通常使用達林頓管來驅(qū)動。達林頓管是復合晶體管，輸入阻抗高，所需控制電流小，電流增益高，輸出阻抗低，帶載能力強。

步進電機各相驅(qū)動電流會進行頻繁的通斷切換，會造成電磁串擾，影響單片機穩(wěn)定運行，要在輸出控制口加入一級光電隔離，以切斷步進電機驅(qū)動電路與單片機控制電路之間的電氣聯(lián)系，如圖五所示。各繞組兩端都要并聯(lián)開關(guān)二極管，用于在達林頓管從導通轉(zhuǎn)入截止的瞬間，吸收繞組中的反電動勢能量，以免反電勢擊穿達林頓管及產(chǎn)生電磁干擾。

圖五光敏晶體管型通用光耦

5.集成電路型高速光耦

單片機與PC機之間的通信，以前都用梯形DB9插頭，以RS232電平標準進行通信，而現(xiàn)在的筆記本電腦及很多臺式機都取消了DB9插頭，現(xiàn)在電腦普遍使用USB接口，用USB協(xié)議與外部設備交換數(shù)據(jù)。本例采用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340G，實現(xiàn)單片機與PC通信。為實現(xiàn)高速、穩(wěn)定的通信，使用高速光耦ELM611進行電氣隔離，保證PC機與單片機系統(tǒng)之間沒有直接的電氣聯(lián)系，消除環(huán)路干擾，減少彼此之間的相互干擾。本例使用的高速光耦具有10MBit/S的傳輸能力，在進行程序下載和數(shù)據(jù)交換時，可以使用1～5MHz的頻率進行通信，比MAX232 芯片快了很多，圖六為原理圖，供參考。