光电耦合器在并口长线传输中的应用

1 引言

    光电耦合器(以下简称光耦)是一种由发光器件和光敏器件组成的光电器件。它能实现电→光→电信号的转换，并且输入信号与输出信号隔离。目前绝大多数的光耦输入采用砷化镓红外发光二极管，输出采用硅光电二极管、硅光电三极管及光触发可控硅。因为峰值波长900～940 nm的砷化镓红外发光二极管能与硅光电器件的响应峰值波长相吻合，可获得较高的信号传输效率。

    并行接口又简称为“并口”，是一种增强了的双向并行传输接口。所谓“并口”，是指8位数据同时通过并行线传送，数据传送速度大大提高，但并行传送的线路长度受到限制。所谓“长线”是相对于数据的传输速度而言。例如，数据传输速率为9 600 b／s时，20 m的电缆即可认为是长线。传输线长度增加，干扰就会增加，容易出错，使信号无法远距离传输。对传输线进行“隔离”和“浮地”处理，是解决上述问题的较好方法。采用光电隔离电路，可去掉数据交换的两设备之间的公共地线，使两设备电气隔离翻。同时，在电→光→电信号的转换中，就光电耦合器件而言，只要其输入端有一定的电流，其输出端就能输出相应的数字信号。因此，逻辑电平的信号传递变成了固定的电流环中电流有否的状态传递。适当增大电流(低阻传输)，使夹杂在信号中的电气噪声被完全限制在所选择的开关电流幅度内，即相对弱小的干扰信号电流无法改变有用信号电流的有无状态，就可有效地抑制干扰，提高信息传输的可靠性。并增加数据的传输距离。光耦合器一般由光的发射、光的接收及信号放大组成。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。就完成了电一光一电的转换，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人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，它在长线信息传输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，可大大增加计算机工作的可靠性。

2 光电耦合器的性能特点

    光耦合器的主要优点是单向传输信号，输人端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、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。

    光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极一发射极反向击穿电压V(BR)CEO、集电极一发射极饱和压降VCE(sat)，此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时问、延迟时间和存储时间等参数。电流传输比CTR是光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比表示。当输出电压保持恒定时，其等于直流输出电流IC与直流输入电流，IF的百分比：CTR=IC／IF×100％。

    采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围为20％～300％(如4N35)，而PC817为80％～160％，达林顿型光耦合器(如430)可达100％～5000％。这表明欲获得同样的输出电流，后者只需较小的输入电流。

3 光电耦合器的选取原则

    在设计光耦光电隔离电路时必须正确选择光耦合器的型号及参数，选取原则如下：

    (1)由于光电耦合器为信号单向传输器件，而电路中数据的传输是双向的，电路板的尺寸要求一定，结合电路设计的实际要求，就要选择单芯片集成多路光耦的器件；

    (2)光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是不小于500％。因为当CTR<500％时，光耦中的LED就需要较大的工作电流(>5.0 mA)，才能保证信号在长线传输中不发生错误，这会增大光耦的功耗；

    (3)光电耦合器的传输速度也是选取光耦必须遵循的原则之一，光耦开关速度过慢，无法对输入电平做出正确反应，会影响电路的正常工作。

    (4)推荐采用线性光耦。其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。设计中由于电路输入输出均是一种高低电平信号，故此，电路工作在非线性状态。而在线性应用中，因为信号不失真的传输，所以，应根据动态工作的要求，设置合适的静态工作点，使电路工作在线性状态。

    通常情况下，单芯片集成多路光耦的器件速度都比较慢，而速度快的器件大多都是单路的，大量的隔离器件需要占用很大布板面积，也使得设计的成本大大增加。在设计中，受电路板尺寸、传输速度、设计成本等因素限制，无法选用速度上非常占优势的单路光耦器件，在此选用TOSHIBA公司的TLP521-4。

4 TLP521-4简介

    光电隔离模块TLP521-4(GB)是一款具有完整基极一发射极的性能优良的固定延时光电耦合器，它具有最优转换速度、高温性能等特点。该器件主要特性：电流转换率为100％～500％；隔离电压为2 500 Vrms(min)；发射一接收电压为55 V(min)；泄漏电流为lOμA(max)(Ta=85℃)；最小转换时间为42μs。

    TLP52l-4(GB)的典型电路如图1所示，具体的转换时间参数见表1。由表1可知，TLP521_4(GB)最大传输延迟时间为42μs，系统需要在1 ms内完成8个字节的读或写，最大传输延迟时间已满足电路传输延迟时间的水平，因而在传输速度上完全能够满足长线传输的要求。通过对其输入端的控制，可使光耦按工作需要打开或关闭。当在输入控制端加高电平时，光耦正常工作。将输入端信号耦合到输出端，而当在输入控制端加低电平时，其输出端集电极开路三极管截止，对外呈高阻态。

5 电路设计

    在长线传输中，正是因为地线的交流阻抗特性，使得地线成了电路中事实上的最大噪声源。地线造成干扰的主要原因是地线存在阻抗，当电流流过地线时，会在地线上产生电压，这就是地线噪声。在这个电压的驱动下，会产生地线环路电流，形成地环路干扰。南于发送和接收设备共用一段地线，会形成公共阻抗耦合。采用光电隔离器TLP521-4对发送和接收设备进行电气隔离，对于减小交流阻抗的作用十分明显，进而增大传输电流，有效地抑制地线噪声；同时由于74LS244N的应用。总线驱动能力得到保障。图2为光耦发送和接收电路示意图。图2中，上半部两光耦自左向右传输信号，下半部两光耦自右向左传输信号，左端74LS244N通过静态存储器IDT7132与处理器进行数据交换，右端通过8255与处理器进行数据交换。

    调试中，输入周期为100μs，占空比为1／2的+5 V方波，对一路光耦的输入端波形和经过20 m长线后接收光耦的输出端波形以及经过74LS244整形后的波形进行记录。记录结果如图3所示。

    从输入输出波形的比较来看，电路能对输入波形中叠加的噪声干扰具有明显的抑制作用，使输出波形变得光滑且稳定，提高了输出信噪比。虽然由于光耦的转换时间问题，波形的占空比发生了微量变换，但是由于电路输入输出均是一种高低电平信号，故不影响信号的正确传输。

6 结语

    采用上述方法应用于并口长线传输电路，能够在保持并口传输的速度优势以及系统结构不变时，保证信号传输的准确性。在长距离的并口传输中，只要对原来短距离并口电路稍加改动，就可以保证通信双方的高速隔离并进行通信，因而具有较大实用价值。