开关量输入输出的隔离技术课件

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1、第四章 开关量输入输出的隔离技术开关量的输入输出隔离主要有两个目的：开关量的输入输出隔离主要有两个目的：电气隔离电气隔离，防止被隔离两边的电噪声干扰；，防止被隔离两边的电噪声干扰； 电平转换电平转换，两边的工作电平、电源电压、信号，两边的工作电平、电源电压、信号极性都可以不同。极性都可以不同。开关量输入输出的隔离技术课件开关量输入输出的隔离技术课件1、廉价实用的、廉价实用的TLP521-XTLP521-1TLP521-2TLP521-4图图4.1 TLP521的各种封装及引脚排列的各种封装及引脚排列4.14.1开关量输入端隔离开关量输入端隔离开关量输入端隔离开关量输入端隔离开关量的输入隔离一般

2、使用开关量的输入隔离一般使用开关量的输入隔离一般使用开关量的输入隔离一般使用光电隔离器件光电隔离器件光电隔离器件光电隔离器件。可以使用的光电隔离器件很多，有许多。可以使用的光电隔离器件很多，有许多。可以使用的光电隔离器件很多，有许多。可以使用的光电隔离器件很多，有许多器件性能相近，普通开关量的输入隔离使用器件性能相近，普通开关量的输入隔离使用器件性能相近，普通开关量的输入隔离使用器件性能相近，普通开关量的输入隔离使用TLP521-XTLP521-X即可即可即可即可 工作频率不高，一般限制在工作频率不高，一般限制在10KHZ以内以内开关量输入输出的隔离技术课件A A图输入高电平，输出高电平，输入

3、低电平，输出低电平；图输入高电平，输出高电平，输入低电平，输出低电平；b b图输入高电平，输出低电平，输入低电平，输出高电平图输入高电平，输出低电平，输入低电平，输出高电平图4.2 基本的光电隔离电路开关量输入输出的隔离技术课件（1）R1可按驱动电流510mA, 选择驱动发光二极管的驱动器件任意，只要能保证长时间提供510mA电流即可 （2） R2可取2.2K10K，太小则电路功耗增大，太大则抗干扰能力减弱，且关断时输出端的上升速度将减慢, VCCX=+5V时，R2可取3.3K VCCIN1VCC XDOUTGNDXR1R2TLP521基本的光隔电路（一）基本的光隔电路（一）图图4.2 基本的

4、光隔电路（基本的光隔电路（a）开关量输入输出的隔离技术课件（1）此种接法更为常用此种接法更为常用此种接法更为常用此种接法更为常用（2） VCCX=+5V时，时， R4去掉去掉 VCCX=+12V时，时，R4取取6.8K(或改用或改用ULN2004） VCCX=+24V时，时，R4取取20K(或改用或改用ULN2002） VCCIN1VCC XULN2003R3R4TLP521基本的光隔电路（二）基本的光隔电路（二）图图4.2 基本的光隔电路（基本的光隔电路（b）开关量输入输出的隔离技术课件D1D4D1D4用于用于输入状态输入状态的直观显示，的直观显示，R1R4R1R4的输入的输入限流电阻限流电

5、阻，使用，使用1/41/4瓦电阻即可。瓦电阻即可。不使用不使用D1D4D1D4时，限流电阻取时，限流电阻取330330即可。输出上拉电阻功耗较小，可以使用排阻。即可。输出上拉电阻功耗较小，可以使用排阻。要求响应速度较高时，排阻阻值应适当减小。图中假设要求响应速度较高时，排阻阻值应适当减小。图中假设VCCVCC和和VCCXVCCX均为均为5V5V。图4.3 实用的隔离电路输入开关量输入输出的隔离技术课件TLP521TLP521的正常工作频率应限制在的正常工作频率应限制在10kHz10kHz以下，在大于以下，在大于10kHz10kHz时，必须考虑负载电阻时，必须考虑负载电阻对工作频率的影响。原则上

6、，降低负载电阻阻值对工作频率的提高有利，负载电阻对工作频率的影响。原则上，降低负载电阻阻值对工作频率的提高有利，负载电阻最低可降至最低可降至1k1k。对波形要求较高的场合，工作频率应适当降低，并应在输出端加。对波形要求较高的场合，工作频率应适当降低，并应在输出端加接施密特触发器整形电路。接施密特触发器整形电路。 图4.4 TLP521的负载电阻对开关时间的影响开关量输入输出的隔离技术课件2 2、高频脉冲的隔离、高频脉冲的隔离、高频脉冲的隔离、高频脉冲的隔离 对波形要求较高的场合，应使用高频特性好的光隔对波形要求较高的场合，应使用高频特性好的光隔如如4N25(300KHZ)、4N35(300KH

7、Z)、6N136(2MHZ)4N354N356N1366N136光敏二极管的开关时间光敏二极管的开关时间通常比光敏三极管小通常比光敏三极管小开关量输入输出的隔离技术课件负载电阻越小，开关时间越短，光耦的开关速度越高。最小负载电阻可以小到负载电阻越小，开关时间越短，光耦的开关速度越高。最小负载电阻可以小到负载电阻越小，开关时间越短，光耦的开关速度越高。最小负载电阻可以小到负载电阻越小，开关时间越短，光耦的开关速度越高。最小负载电阻可以小到500500。带基极。带基极。带基极。带基极引脚的光耦，其基极应使用一电阻接到集电极，阻值以引脚的光耦，其基极应使用一电阻接到集电极，阻值以引脚的光耦，其基极应

8、使用一电阻接到集电极，阻值以引脚的光耦，其基极应使用一电阻接到集电极，阻值以50k50k到到到到100k100k为佳。如省略该电阻，为佳。如省略该电阻，为佳。如省略该电阻，为佳。如省略该电阻，则开关时间会大则开关时间会大则开关时间会大则开关时间会大4545倍，则开关频率就降低倍，则开关频率就降低倍，则开关频率就降低倍，则开关频率就降低4545倍。不应该省略该电阻。倍。不应该省略该电阻。倍。不应该省略该电阻。倍。不应该省略该电阻。图4.5 4N35负载电阻及基极-发射极电阻对开关时间的影响开关量输入输出的隔离技术课件影响工作频率的因素：影响工作频率的因素：（1）负载电阻，越小，开关速度越快）负载

9、电阻，越小，开关速度越快,最好不小于最好不小于1000（2）基极电阻，一般取）基极电阻，一般取50K100KLED+LED-NCBCEDINDOUT7406R1R1100kR3550VCCVCC X4N35GNDX74LS14图图4.6 可以工作到可以工作到115.2波特的波特的光隔电路光隔电路开关量输入输出的隔离技术课件（1）VCCX取取5V时，负载电阻时，负载电阻R3应取应取2.2K3.3K（2）74LS14用于整形，用于整形，为保证输出波形为理想的方波，防止出为保证输出波形为理想的方波，防止出现干扰脉冲等非正常情况的发生，输出端使用施密特触发器对波形整形现干扰脉冲等非正常情况的发生，输出

10、端使用施密特触发器对波形整形 DINDOUT7406R1R32.2KVCCVCC X6N136GNDX74LS14图图4.7 用用6N136的的光隔电路光隔电路开关量输入输出的隔离技术课件 4.2DC-DC变换器的应用变换器的应用独立的直流电源独立的直流电源独立的直流电源独立的直流电源是光电隔离电路的基本条件。是光电隔离电路的基本条件。是光电隔离电路的基本条件。是光电隔离电路的基本条件。DC-DCDC-DC变换器变换器变换器变换器通常可以提供通常可以提供通常可以提供通常可以提供几毫安到数百毫安电流的各种隔离电压输出几毫安到数百毫安电流的各种隔离电压输出几毫安到数百毫安电流的各种隔离电压输出几毫

11、安到数百毫安电流的各种隔离电压输出 从工作原理分，从工作原理分，从工作原理分，从工作原理分，DC-DCDC-DC变换器通常有变换器通常有变换器通常有变换器通常有电荷泵变压、脉宽调制变压、电荷电荷泵变压、脉宽调制变压、电荷电荷泵变压、脉宽调制变压、电荷电荷泵变压、脉宽调制变压、电荷泵与脉宽调制组合变压、隔离变压器变压泵与脉宽调制组合变压、隔离变压器变压泵与脉宽调制组合变压、隔离变压器变压泵与脉宽调制组合变压、隔离变压器变压等多种。前几种的变压通常是等多种。前几种的变压通常是等多种。前几种的变压通常是等多种。前几种的变压通常是全电子的，因而输入与输出无隔离；后者通常可提供全电子的，因而输入与输出无

12、隔离；后者通常可提供全电子的，因而输入与输出无隔离；后者通常可提供全电子的，因而输入与输出无隔离；后者通常可提供1000V1000V以上的电压以上的电压以上的电压以上的电压隔离。隔离。隔离。隔离。集成电路集成电路集成电路集成电路DC-DCDC-DC变换器变换器变换器变换器 电荷泵变压、脉宽调制变压、前二者的组合变压电荷泵变压、脉宽调制变压、前二者的组合变压电荷泵变压、脉宽调制变压、前二者的组合变压电荷泵变压、脉宽调制变压、前二者的组合变压隔离变压器型隔离变压器型隔离变压器型隔离变压器型DC-DCDC-DC变换器变换器变换器变换器 真正隔离真正隔离真正隔离真正隔离开关量输入输出的隔离技术课件1

13、1、集成电路、集成电路、集成电路、集成电路DC-DCDC-DC变换器变换器变换器变换器效率高、体积小、以小电流应用为主效率高、体积小、以小电流应用为主(互补电压：互补电压：互补电压：互补电压：电路生成两个模拟电路生成两个模拟电路生成两个模拟电路生成两个模拟电压电压电压电压，用一种互补方式可以改变这两个电压。当，用一种互补方式可以改变这两个电压。当，用一种互补方式可以改变这两个电压。当，用一种互补方式可以改变这两个电压。当直通输出电压上升时，互补的输出电压下降，反之亦然。两个输出电压之和为直通输出电压上升时，互补的输出电压下降，反之亦然。两个输出电压之和为直通输出电压上升时，互补的输出电压下降，

14、反之亦然。两个输出电压之和为直通输出电压上升时，互补的输出电压下降，反之亦然。两个输出电压之和为恒定值：恒定值：恒定值：恒定值：VOUT+VOUTC=VREFVOUT+VOUTC=VREF）（1）ICL7660 Intersil公司公司 输出：输出：1.5V10V 输：输：互补电压互补电压互补电压互补电压（通常为正电压入、负电压出通常为正电压入、负电压出) 主要用于单电源供电的主要用于单电源供电的主要用于单电源供电的主要用于单电源供电的A/DA/D转换场合转换场合转换场合转换场合（2）MAX640/MAX848Maxim公司公司 输入：输入：5V 输出：输出：3.3V,典典型应用为给低电压器件

15、供电型应用为给低电压器件供电 （3）MAX735 输入：输入：4V6.2V 输出：输出：5V（4）MAX737 输入：输入：4V8.6V 输出：输出：15V-15V输出可给输出可给LCD提供负偏置电压提供负偏置电压 单电源输出变换器单电源输出变换器开关量输入输出的隔离技术课件（1）MAX742 输入：输入：4.2V10V 输出：输出：12V， 15V, 2A（2）MAX743 输入：输入：5V 输出：输出： 12V， 15V, 100mA MAX743的最大电流可达的最大电流可达100mA，而，而 MAX742的最大电流则可达的最大电流则可达2A 双电源输出变换器双电源输出变换器BUCK 降压

16、型降压型 是指输入电压大于输出电压是指输入电压大于输出电压 如如12V-5VBOOST 则反之则反之 5V-12V单电源变双电源单电源变双电源4.2V10V直流电源变成双直流电源变成双12V， 15V直流电源直流电源集成运算放大器、集成运算放大器、AD转换器常用双电源转换器常用双电源开关量输入输出的隔离技术课件ICL7660(A)ICL7660(A)提供从提供从 1.5V1.5V到到10.0V10.0V的互补电压，以电荷泵原理工作，需外接的互补电压，以电荷泵原理工作，需外接泵电容两个。泵电容两个。泵电容泵电容通常选用通常选用10f10f的电解电容。的电解电容。7 7脚为振荡器输入，不接时脚为振

17、荡器输入，不接时使用内部振荡器。也可外接电容以降低振荡频率。降低振荡频率时泵电容使用内部振荡器。也可外接电容以降低振荡频率。降低振荡频率时泵电容的容量应加大，加大到的容量应加大，加大到100f100f可保证任何振荡频率都能正常工作可保证任何振荡频率都能正常工作( (最低最低1kHz)1kHz)。6 6脚为低压调整端。脚为低压调整端。当工作电压低于当工作电压低于3.5V3.5V时，时，6 6脚应接地，否则浮空脚应接地，否则浮空。图4.8 ICL7660的泵电容连接开关量输入输出的隔离技术课件低电压器件供电低电压器件供电低电压器件供电低电压器件供电器件工作时需在器件工作时需在输出端输出端增加三个元

18、件：一个二极管、一个增加三个元件：一个二极管、一个电感、一个电解电容。为使器件能提供最大输出电流，电感应选用电感、一个电解电容。为使器件能提供最大输出电流，电感应选用100H100H，电容应选用电容应选用100F100F，二极管可以使用常用的，二极管可以使用常用的1N58171N5817或相当的肖特基二极管。或相当的肖特基二极管。输出输出电压电压电压电压5V/3.3V/3V5V/3.3V/3V 图4.9 MAX639/MAX640/MAX653的电路连接低电池电压检测输入低电池电压检测输出开关量输入输出的隔离技术课件适于适于A/DA/D转换器或模拟放大器使用的，通常是双电源输出型。转换器或模拟

19、放大器使用的，通常是双电源输出型。MAX743MAX743可提可提供供12V12V或或15V15V的的对称电压对称电压，MAX743MAX743的最大电流可达的最大电流可达100mA100mA，图中两个电感图中两个电感100H100H、两个电解电容、两个电解电容100F100F和两个肖特基二极管和两个肖特基二极管1N58171N5817图图4.10双电源输出变换器双电源输出变换器MAX473的基本的基本应用电路应用电路开关量输入输出的隔离技术课件2 2、隔离变压器型、隔离变压器型、隔离变压器型、隔离变压器型DC-DCDC-DC变换变换变换变换DC-DCDC-DC变换器通常使用高频变压器变换器通

20、常使用高频变压器变换器通常使用高频变压器变换器通常使用高频变压器(25kHz)(25kHz)隔离，再作整流及稳压器件体隔离，再作整流及稳压器件体隔离，再作整流及稳压器件体隔离，再作整流及稳压器件体积通常相对较大积通常相对较大积通常相对较大积通常相对较大 （1）固定电压输入（用于信号隔离）固定电压输入（用于信号隔离） 宽电压输入（用于未经稳压的输入电压）宽电压输入（用于未经稳压的输入电压）（2）选取器件选取器件:1)根据输入、输出电压选取器件根据输入、输出电压选取器件;2)输出电流应按系统最大输出电流应按系统最大工作电流的工作电流的1.21.5倍倍计算需要的功率，根据功率选用计算需要的功率，根据

21、功率选用 (DC-DC变换器通常以输变换器通常以输出功率标注出功率标注 );3)再次要注意器件输出电压是否已经过稳压，经过稳压的输出波纹有再次要注意器件输出电压是否已经过稳压，经过稳压的输出波纹有多大多大 （3）尽量选用经稳压的。）尽量选用经稳压的。稳压输出的稳压输出的DC-DC变换器的输出电压稳定度通常优于变换器的输出电压稳定度通常优于1%，交流波纹电压也很小，一般情况下可以直接使用。，交流波纹电压也很小，一般情况下可以直接使用。 CinCoutVin+VOUTGND-VOUT100uf,25V图图4.11 DC-DC变换器模块的使用电路变换器模块的使用电路开关量输入输出的隔离技术课件5V1

22、2V:Cin 100uf,25V24V48V:Cin 10uf,100V器件功率增加时，输入、输出电容应相应增大。无稳压输出的DC-DC变换器使用时必须注意：负载电流不可小于额定电流的20%，不足时应加装假负载(功率足够的电阻)。 CinCoutVin+VOUTGND-VOUT100uf,25V使用使用DC-DC变换器模块非常方便，仅需在输入、输出端加上适当的滤波电容变换器模块非常方便，仅需在输入、输出端加上适当的滤波电容滤波电容的选取滤波电容的选取开关量输入输出的隔离技术课件4.3专用隔离芯片及模块专用隔离芯片及模块1 1、RS-422/485RS-422/485隔离芯片隔离芯片隔离芯片隔离

23、芯片隔离收发器隔离收发器 MAX1480用于用于RS-485半双工网络半双工网络MAX1490用于用于RS-422全双工网络全双工网络MAX3157全双工或半双工，但不是真正的隔离全双工或半双工，但不是真正的隔离MAX3157的使用方便，仅需提供两个的使用方便，仅需提供两个0.047F的隔离电容。器件的的隔离电容。器件的隔离电压为隔离电压为50V。为保证该隔离电压，要求隔离电容的耐压必须高。为保证该隔离电压，要求隔离电容的耐压必须高于于50V。该器件可以通过引脚选择工作在半双工方式或全双工方式，。该器件可以通过引脚选择工作在半双工方式或全双工方式，更重要的是器件可以选择反相输出，当信号线正反接

24、反时，可以自动更重要的是器件可以选择反相输出，当信号线正反接反时，可以自动倒相倒相 典型芯片及用途典型芯片及用途开关量输入输出的隔离技术课件图图4.12 RS-485/RS-422 4.12 RS-485/RS-422 隔离集成电路隔离集成电路隔离电容隔离电容应用特点应用特点：提供隔离提供隔离电容、隔电容、隔离电压离电压50V开关量输入输出的隔离技术课件2 2、模拟隔离放大器、模拟隔离放大器、模拟隔离放大器、模拟隔离放大器（1）AD202/204(低成本线性隔离放大器低成本线性隔离放大器) 2端口，变压器耦端口，变压器耦合合 隔离电压高达隔离电压高达2000V 共模抑制比共模抑制比(放大器输出

25、功率与输入功率比值的对数，用以表示功率放大器输出功率与输入功率比值的对数，用以表示功率放大的程度。亦指电压或放大的程度。亦指电压或电流电流的放大倍数的放大倍数,通常以分贝通常以分贝(dB)数来规定。数来规定。)高高130db，信号最高频率，信号最高频率5KHZ 供电电压供电电压15V，可提供，可提供7.5V电源电源(0.4mA/2mA)（2）MAX210(三端口宽频带隔离放大器三端口宽频带隔离放大器 )3端口，变压器耦合端口，变压器耦合 隔离电压高达隔离电压高达2500V 共模抑制比高共模抑制比高120db,信号最高频率可达信号最高频率可达20KHZ 供电电压供电电压15V, 可提供可提供15

26、V电源（电源（5mA）（3）ISO1001光电耦合光电耦合隔离放大器按隔离放大器按传输信号传输信号的类型。可以分为的类型。可以分为模拟隔离和开关隔离放大器模拟隔离和开关隔离放大器。模。模拟隔离放大器的生产商和产品种类均较少，且产品价格比较昂贵常见模块拟隔离放大器的生产商和产品种类均较少，且产品价格比较昂贵常见模块开关量输入输出的隔离技术课件（1）AD202 :2端口，隔离电压端口，隔离电压2000V图图4.13 4.13 低成本线性隔离放大器低成本线性隔离放大器AD202AD202开关量输入输出的隔离技术课件采样采样/ /保持电路保持电路 对于一个动态模拟信号在模拟转换过程中，输入的模对于一个

27、动态模拟信号在模拟转换过程中，输入的模拟信号是不确定的，从而引起转换器输出的不确定性误差，拟信号是不确定的，从而引起转换器输出的不确定性误差，直接影响转换精度直接影响转换精度 要求输入模拟量在整个模数转换过程中被要求输入模拟量在整个模数转换过程中被“冻结冻结”起起来，保持不变。但在转换之后，又要求来，保持不变。但在转换之后，又要求A/DA/D转换器的输入端转换器的输入端能跟踪输入模拟量的变化，能完成上述任务的器件叫采样能跟踪输入模拟量的变化，能完成上述任务的器件叫采样/ /保持电路，简称保持电路，简称采采/ /保保(S/H)(S/H)。 最基本的采最基本的采/ /保保电路由模拟开关，保电路由模

28、拟开关，保持电容和缓冲放大器持电容和缓冲放大器组成组成AVO_图8-38 采样/保持器原理图+ViVcCHS开关量输入输出的隔离技术课件增益增益1：1开关量输入输出的隔离技术课件反相输入反相输入开关量输入输出的隔离技术课件同相输入同相输入开关量输入输出的隔离技术课件（2）AD210:图图4.14 AD2104.14 AD210结构框图结构框图3端口，宽频带隔离放大器，频率端口，宽频带隔离放大器，频率20Hz、隔离电压、隔离电压2500V、输出阻抗低可、输出阻抗低可提供提供15V电源（电源（5mA）供电供电15V开关量输入输出的隔离技术课件增益增益1：1图图4.15 AD2104.15 AD21

29、0的基本应用电路的基本应用电路开关量输入输出的隔离技术课件同相输入同相输入开关量输入输出的隔离技术课件反相输入反相输入开关量输入输出的隔离技术课件应用举例应用举例AD210的的16、17两引脚连接在一起，可实现信号跟两引脚连接在一起，可实现信号跟踪功能。踪功能。18、19两引脚之间通过电阻两引脚之间通过电阻Ra接信号源接信号源Vs，18脚和脚和Vs共地。脚共地。脚1和脚和脚2为输出引脚，为输出引脚，Rb为输出负载电阻为输出负载电阻(使用时可选使用时可选Ra=Rb=1 k)。该电路可实现。该电路可实现1:1的隔离传输功能。的隔离传输功能。 开关量输入输出的隔离技术课件3 3、高频逻辑门专用隔离电

30、路、高频逻辑门专用隔离电路、高频逻辑门专用隔离电路、高频逻辑门专用隔离电路（1）输入电流仅需）输入电流仅需5mA（有的更低），（有的更低），OC门输出，通门输出，通信速率可达信速率可达10M波特以上，有极高的抗共模干扰性能和极波特以上，有极高的抗共模干扰性能和极高的隔离耐压高的隔离耐压（2） 有单路、双路、四路多种封装有单路、双路、四路多种封装图图4.17 4.17 单路封装单路封装图图4.19 4.19 双路封装双路封装特点及常见模块特点及常见模块开关量输入输出的隔离技术课件适用适用于多路逻辑隔离，如于多路逻辑隔离，如并行并行A/D,D/A特点特点：有极高的：有极高的电流传输比电流传输比(输

31、出管输出管的工作电压为规定值时，输出电流和的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输发光二极管正向电流之比为电流传输比比CTR) ，达到达到1500%。发光二极管。发光二极管最小驱动电流最小驱动电流0.5mA，5mA时工作频率最高时工作频率最高开关量输入输出的隔离技术课件高频逻辑门专用隔离电路高频逻辑门专用隔离电路高频逻辑门专用隔离电路高频逻辑门专用隔离电路简单化是逻辑电路简单化是逻辑电路简单化是逻辑电路简单化是逻辑电路在在在在6N1366N136的基础上，将输出电路做成与的基础上，将输出电路做成与的基础上，将输出电路做成与的基础上，将输出电路做成与TTLTTL兼容的标准

32、逻辑电路，这就是兼容的标准逻辑电路，这就是兼容的标准逻辑电路，这就是兼容的标准逻辑电路，这就是6N1376N137 ，6N1376N137典型应用典型应用典型应用典型应用图图4.18 4.18 6N137典型应用典型应用电路电路( (单路）单路）开关量输入输出的隔离技术课件直接逻辑输入直接逻辑输入直接逻辑输入直接逻辑输入/ /逻辑输出的隔离器件逻辑输出的隔离器件逻辑输出的隔离器件逻辑输出的隔离器件（1）输出）输出3.3V,+5V,TTL/CMOS兼容，兼容，注意使能端注意使能端（2）工作频率可达）工作频率可达100M波特波特（3）隔离电压高达）隔离电压高达2500V图图4.21 4.21 单路

33、单路开关量输入输出的隔离技术课件直接逻辑输入直接逻辑输入直接逻辑输入直接逻辑输入/ /逻辑输出的隔离器件逻辑输出的隔离器件逻辑输出的隔离器件逻辑输出的隔离器件图图4.21 4.21 单路单路开关量输入输出的隔离技术课件图图4.22 4.22 三种器件输入三种器件输入/ /输出的方向输出的方向三种器件的性能指标均相同，仅输入、输出端口的方向不同三种器件的性能指标均相同，仅输入、输出端口的方向不同 开关量输入输出的隔离技术课件4.4 4.4 新型的光电隔离产品新型的光电隔离产品种类：种类： 微电流隔离器件微电流隔离器件 4mA 4mA20m20m专用光电隔离器件专用光电隔离器件 高频高频隔离器件隔

34、离器件 智能功率模块（智能功率模块（IPM）专用驱动隔离模块）专用驱动隔离模块普通的发光二极管，发光电流应在普通的发光二极管，发光电流应在1mA以上，达到正常亮度时，电流应达到以上，达到正常亮度时，电流应达到5mA以上。光耦作为发光二极管与光敏二极管以上。光耦作为发光二极管与光敏二极管(或光敏三极管或光敏三极管)的组合器件，也的组合器件，也需要足够的驱动电流才能使其正常工作。需要足够的驱动电流才能使其正常工作。在某些特定的应用场合，期望用很小的驱动电流就可使器件可靠地工作，如希在某些特定的应用场合，期望用很小的驱动电流就可使器件可靠地工作，如希望光耦能在小于望光耦能在小于1mA时能可靠地工作。

35、时能可靠地工作。 开关量输入输出的隔离技术课件4.4.1 4.4.1 微电流微电流光电隔离器件光电隔离器件典型器件：典型器件： HCPL-2200/2219HCPL-2200/2219：驱动电流：驱动电流1.6mA1.6mA、通信速率、通信速率2.5Mb2.5MbHCPL-2300/0300HCPL-2300/0300：驱动电流：驱动电流0.5mA0.5mA、通信速率、通信速率8Mb 8Mb 为保证为保证8Mbd的通信速率，电源与地这间的退耦电容的通信速率，电源与地这间的退耦电容(0.1F)不可省略不可省略 电源电源:多数情况下多数情况下 5V供电供电直接直接将将RL和和VO相连相连开关量输入

36、输出的隔离技术课件HCPL-2300/0300典型应用电路典型应用电路20pF电容为加速而设，肖特基二极管用于提高电容为加速而设，肖特基二极管用于提高TTL的高电平阀值，防止微小的高电平的高电平阀值，防止微小的高电平漏电流造成光耦的误动作。漏电流造成光耦的误动作。输出输出上拉电阻上拉电阻，对不同的供电电源，建议使用图，对不同的供电电源，建议使用图4.24中的电阻值中的电阻值 加速加速容容电电开关量输入输出的隔离技术课件OC门驱动门驱动HCPL-2300/0300典型应用电路典型应用电路如果使用如果使用OC门输出的器件驱动，则电容和肖特基二极管均可省略。门输出的器件驱动，则电容和肖特基二极管均可

37、省略。OC门驱动门驱动时，常连接到发光二极管的阴极，这时输出逻辑反相时，常连接到发光二极管的阴极，这时输出逻辑反相图4.25 OC门输出驱动HCPL-2300/0300的实例开关量输入输出的隔离技术课件RS-485直接驱动直接驱动HCPL-2300/0300不平衡式电路不平衡式电路HCPL-2300/0300可以直接由可以直接由RS-485驱动器驱动，组成隔离的驱动器驱动，组成隔离的RS-485网络。网络。由于实际的由于实际的RS-485接收器是电压检测器件，由端接电阻完成电流接收器是电压检测器件，由端接电阻完成电流-电压转换，而电压转换，而HCPL-2300/0300是电流检测器件，由发光二

38、极管检测电流，因而性能上无法是电流检测器件，由发光二极管检测电流，因而性能上无法完全达到完全达到RS-485的指标，主要表现在通信距离有限的指标，主要表现在通信距离有限 、接收端数目有限、接收端数目有限 通信距离不宜超过通信距离不宜超过 100m开关量输入输出的隔离技术课件脉冲上升时间脉冲上升时间tr tr、下降时间、下降时间传输延迟时间传输延迟时间tPHLtPHL、tPLHtPLH脉冲上升时间脉冲上升时间tr tr、下降时间、下降时间tf tf：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFPIFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从

39、输出脉冲前沿的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的幅度的10%10%到到90%90%，所需时间为，所需时间为脉冲上升时间脉冲上升时间tr tr。从输出脉冲后沿幅度的从输出脉冲后沿幅度的90%90%到到10%10%，所需时间为，所需时间为脉冲下降时脉冲下降时间间tf tf。传输延迟时间传输延迟时间tPHLtPHL、tPLHtPLH：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFPIFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输入脉冲前沿的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输入脉冲前沿幅度的幅度的50%50%到输出脉冲电

40、平下降到到输出脉冲电平下降到1.5V1.5V时所需时间为时所需时间为传输延传输延迟时间迟时间tPHLtPHL。从输入脉冲后沿幅度的从输入脉冲后沿幅度的50%50%到输出脉冲电平上升到到输出脉冲电平上升到1.5V1.5V时所时所需时间为需时间为传输延迟时间传输延迟时间tPLHtPLH。 开关量输入输出的隔离技术课件波形失真波形失真：波形失真主要由于长导线导致的输入跳变与输出跳变的延时不同波形失真主要由于长导线导致的输入跳变与输出跳变的延时不同引起。不同的电容与电阻匹配将引起不同的引起。不同的电容与电阻匹配将引起不同的tPHL和和tPLH延时。影响因素除电子延时。影响因素除电子元件外，还有导线品质

41、、长度、驱动器的特性等元件外，还有导线品质、长度、驱动器的特性等.长线驱动长线驱动应改用平衡式应改用平衡式RS-485RS-485隔离接收电路隔离接收电路图4.27 输入跳变与输出跳变的延时开关量输入输出的隔离技术课件平衡式平衡式RS-485RS-485隔离接收电路隔离接收电路改善波形失真，信号品质大大提高，但电路复杂改善波形失真，信号品质大大提高，但电路复杂开关量输入输出的隔离技术课件4.4.2 4.4.2 线接收器专用电路线接收器专用电路使用注意：勿须使用端接电阻，输入接至使用注意：勿须使用端接电阻，输入接至IN+IN+和和IN-IN-，输，输出出OCOC门应接上拉电阻。门应接上拉电阻。

42、适用：使用适用：使用RS-485RS-485驱动的点对点应用驱动的点对点应用图4.29 HCPL-2602/2612的内部结构和引脚开关量输入输出的隔离技术课件HCPL2602/12HCPL2602/12驱动实例：驱动实例：屏蔽双绞线屏蔽双绞线驱动光耦驱动光耦使用注意：勿须使用端接电阻，输入接至使用注意：勿须使用端接电阻，输入接至IN+IN+和和IN-IN-，输，输 出出OCOC门应接上拉电阻。门应接上拉电阻。 适用：使用适用：使用RS-485RS-485驱动的点对点应用驱动的点对点应用通信质量通信质量最高最高开关量输入输出的隔离技术课件使用差动驱动器驱动光耦实例使用差动驱动器驱动光耦实例差动

43、驱动器差动驱动器开关量输入输出的隔离技术课件20mA电流环专用隔离器件电流环专用隔离器件420mA420mA电流驱动是工业控制中常用的信号传输方式电流驱动是工业控制中常用的信号传输方式电流驱动是工业控制中常用的信号传输方式电流驱动是工业控制中常用的信号传输方式 HCPL-4100HCPL-4100为为20mA20mA电流环数字隔离传输时的专用发送器。电流环数字隔离传输时的专用发送器。在在20k20k波特的通信速率下，可以可靠传送波特的通信速率下，可以可靠传送400400米距离。隔离电米距离。隔离电压可达压可达3750V(3750V(有效值有效值) )一分钟。一分钟。 图4.32 HCPL-41

44、00原理图和逻辑功能开关量输入输出的隔离技术课件4.5 4.5 强干扰源的隔离及抗干扰技术强干扰源的隔离及抗干扰技术功率电机、变频器等功率电机、变频器等干扰途径干扰途径：电网干扰、电场干扰和电磁干扰等：电网干扰、电场干扰和电磁干扰等抗干扰措施抗干扰措施：抗电网干扰抗电网干扰：加接电源滤波器（低通）加接电源滤波器（低通）单相电源滤波器单相电源滤波器有多种型号有多种型号东莞泰泽电子科技有限公司单相电源滤波器东莞泰泽电子科技有限公司单相电源滤波器开关量输入输出的隔离技术课件三相电源滤波器三相电源滤波器TY460三级三相电源滤波器，用于三相电机控制三级三相电源滤波器，用于三相电机控制一般仪器上应用常规

45、型一般仪器上应用常规型电噪声较大场合应用双级电源滤波器，电噪声较大场合应用双级电源滤波器，隔离驱动和隔离输入方法隔离驱动和隔离输入方法：用于控制信号。：用于控制信号。 避免隔离的控制线与大功率电机平行走线，必要时使避免隔离的控制线与大功率电机平行走线，必要时使用屏蔽线，并将屏蔽层可靠接地用屏蔽线，并将屏蔽层可靠接地开关量输入输出的隔离技术课件抗电场干扰和电磁干扰抗电场干扰和电磁干扰抗电场干扰和电磁干扰抗电场干扰和电磁干扰采用镀锌管屏蔽，效果好，使用不方便，成本高。采用镀锌管屏蔽，效果好，使用不方便，成本高。金属线槽，金属线槽， 钢板和铁皮线槽较好。钢板和铁皮线槽较好。注意：注意：不可将不可将弱

46、电控制信号线和强电电缆排入同一线槽，弱电控制信号线和强电电缆排入同一线槽， 不可将传感器信号线和强电信号线排入同一线槽，不可将传感器信号线和强电信号线排入同一线槽， 开关量输入输出的隔离技术课件4.6 A/D4.6 A/D、D/AD/A的隔离技术的隔离技术特殊情况下特殊情况下A/DA/D、D/AD/A采用采用隔离技术隔离技术隔离技术隔离技术常用隔离方式常用隔离方式： 隔离的微处理器数据采集系统（常见）；隔离的微处理器数据采集系统（常见）； 隔离的模拟信号（不常见）；隔离的模拟信号（不常见）； 隔离的隔离的A/DA/D、D/AD/A转换器：使用转换器：使用转换器：使用转换器：使用HCPL-900

47、(3HCPL-900(3个个个个4 4路器件即路器件即路器件即路器件即 可，满足数据、控制信号、状态信号要求）可，满足数据、控制信号、状态信号要求）可，满足数据、控制信号、状态信号要求）可，满足数据、控制信号、状态信号要求） 开关量输入输出的隔离技术课件隔离电路实例隔离电路实例开关量输入输出的隔离技术课件数控系统常用的接口形式 机床数控系统的接口机床数控系统的接口具有代表性。了解与机床数控系统的接口，对工业具有代表性。了解与机床数控系统的接口，对工业控制系统的数字控制系统的数字I/OI/O接口开发有较大的帮助接口开发有较大的帮助 不同厂家生产的数控系统，采用的接口形式有所不同，但大致可以分为不

48、同厂家生产的数控系统，采用的接口形式有所不同，但大致可以分为光电隔离接口方式和继电器接口方式光电隔离接口方式和继电器接口方式两大类两大类 它们通常在数控系统板它们通常在数控系统板( (控制器、驱动器等控制器、驱动器等) )上都已经过必要的隔离，以上都已经过必要的隔离，以防止子系统间的相互干扰。需与数控系统硬件接口时，防止子系统间的相互干扰。需与数控系统硬件接口时，如果本系统是独如果本系统是独立的子系统，则往往还需在立的子系统，则往往还需在I/OI/O部分再次隔离部分再次隔离。尽管控制用微处理器一般使用尽管控制用微处理器一般使用5V5V供电供电( (也有些已改用也有些已改用3.3V3.3V供电供

49、电) )，接口部，接口部分的电源电压往往仍分的电源电压往往仍使用使用24V24V。从节能角度看，使用较低的电源电压更从节能角度看，使用较低的电源电压更利于节能，但数控系统的主要能源消耗是动力系统，而不是控制系统，利于节能，但数控系统的主要能源消耗是动力系统，而不是控制系统，因此很少有控制系统将电源电压降为因此很少有控制系统将电源电压降为12V12V或更低电压的或更低电压的( (高频脉冲信号和高频脉冲信号和通信信号除外通信信号除外) )。因此，与这些接口信号的硬件接口部分，还存在一个因此，与这些接口信号的硬件接口部分，还存在一个电平转换电平转换的功能的功能 开关量输入输出的隔离技术课件1.数数

50、控控 系系 统统 常常 用用 的的 接接 口口 形形 式式大多数数控系统的输入采用光电隔离输入大多数数控系统的输入采用光电隔离输入大多数数控系统的输入采用光电隔离输入大多数数控系统的输入采用光电隔离输入 1 1 差动输出差动输出: :主要用于高频脉冲信号的输出，或者用于串行通信的输出主要用于高频脉冲信号的输出，或者用于串行通信的输出(RS-(RS-422422串行通信方式串行通信方式) )。AM26LS31AM26LS31是常用的输出驱动器件。是常用的输出驱动器件。 VCCQ/0VQ开关量输入输出的隔离技术课件2 2 集电极开路输出集电极开路输出(O.C.)(O.C.)或漏极开路输出或漏极开路

51、输出 中低频开关量的输出，便于驱动LED或继电器。ULN2003/2803或MC1413是常用的输出驱动器件。驱动器导通时，驱动电流通常能达到50mA以上。 OUT0V开关量输入输出的隔离技术课件3 电平输出 这是一种常用的电平输出方式。当这是一种常用的电平输出方式。当VCC=24VVCC=24V时，高电平输出时，高电平输出通常能达到通常能达到20V20V。输出电流可能不大，但低电平输出时，一。输出电流可能不大，但低电平输出时，一般能保证般能保证20mA20mA以上。上拉电阻通常在以上。上拉电阻通常在2.2k2.2k到到4.7k4.7k之间。之间。如果需在高电平时输出较大电流，必须查阅该输出端

52、的静态如果需在高电平时输出较大电流，必须查阅该输出端的静态工作特性以确定工作电流。工作特性以确定工作电流。 OUT0VVCC开关量输入输出的隔离技术课件4 推挽输出 高低电平的输出特性基本对称，一般情况下可以提供大于高低电平的输出特性基本对称，一般情况下可以提供大于20mA20mA的输出的输出电流。通常可以驱动小型继电器。驱动小型继电器时，必须确认输出电电流。通常可以驱动小型继电器。驱动小型继电器时，必须确认输出电路是否已经带有图中所示的续流二极管，如果没有，则必须外加路是否已经带有图中所示的续流二极管，如果没有，则必须外加 OUT0VVCC开关量输入输出的隔离技术课件5 继电器触点输出 通常

53、为机械触点输出。因此，可以接各类负载。接交流负载时，必须注通常为机械触点输出。因此，可以接各类负载。接交流负载时，必须注意允许工作电压与允许工作电流。大多数继电器触点输出可以提供意允许工作电压与允许工作电流。大多数继电器触点输出可以提供1A1A以以上的工作电流上的工作电流 开关量输入输出的隔离技术课件输入形式输入形式1 高电平输入驱动 这种形式输入时，必须了解输入信号的电压，必要时再串接限流电阻以防止烧毁这种形式输入时，必须了解输入信号的电压，必要时再串接限流电阻以防止烧毁输入端的发光二极管。输入端的发光二极管。输入信号输入信号INXINX是低电平有效还是高电平有效，由输入是低电平有效还是高电

54、平有效，由输入ININ决定。决定。COMCOM通常接通常接0V0V。图。图中中INXINX与与ININ反相，所以必要时应再加反相器反相。反相，所以必要时应再加反相器反相。VCCVCC通常为通常为5V5V或或3.3V3.3V，上拉电，上拉电阻可取阻可取4.7k4.7k或或10 k10 k。 COMVCCININX开关量输入输出的隔离技术课件2 低电平输入驱动 COMCOM通常接通常接24V24V，输入端，输入端ININ低电平时驱动发光二极管。限流电阻根据光低电平时驱动发光二极管。限流电阻根据光耦的特性按第二章的方法计算。耦的特性按第二章的方法计算。输入信号输入信号INXINX是低电平有效还是高电

55、平有效，由输入是低电平有效还是高电平有效，由输入ININ决定。图中决定。图中INXINX与与ININ同相。同相。VCCVCC通常为通常为5V5V或或3.3V3.3V，上拉电阻可取，上拉电阻可取4.7k4.7k或或10 k10 k。 VCCCOMINXIN开关量输入输出的隔离技术课件3 差动输入 主要用于高频脉冲信号的输入，或者用于串行通信的输入主要用于高频脉冲信号的输入，或者用于串行通信的输入(RS-422(RS-422串行串行通信方式通信方式) )。AM26LS32AM26LS32是常用的输入器件。输入电路不一定经过隔离，是常用的输入器件。输入电路不一定经过隔离，所以必要时应增加高速光电隔离

56、电路所以必要时应增加高速光电隔离电路 VCCAA/开关量输入输出的隔离技术课件 高电平驱动的电路高电平驱动的电路高电平驱动的电路高电平驱动的电路这时的数控输出这时的数控输出这时的数控输出这时的数控输出OUTOUT与本系统输入与本系统输入与本系统输入与本系统输入INXINX的极性相反的极性相反的极性相反的极性相反(OUT(OUT为高时，为高时，为高时，为高时，INXINX为低为低为低为低) )。限流电阻。限流电阻。限流电阻。限流电阻R R的阻值应根据电源电压和数控输出的上拉的阻值应根据电源电压和数控输出的上拉的阻值应根据电源电压和数控输出的上拉的阻值应根据电源电压和数控输出的上拉电阻共同决定，原

57、则上按光耦的发光二极管的发光电流为电阻共同决定，原则上按光耦的发光二极管的发光电流为电阻共同决定，原则上按光耦的发光二极管的发光电流为电阻共同决定，原则上按光耦的发光二极管的发光电流为10mA10mA设计，必要时做实验确定设计，必要时做实验确定设计，必要时做实验确定设计，必要时做实验确定R R的阻值。这种电路的功耗较大，系统的阻值。这种电路的功耗较大，系统的阻值。这种电路的功耗较大，系统的阻值。这种电路的功耗较大，系统发热相对较大，对系统的稳定性不利，发热相对较大，对系统的稳定性不利，发热相对较大，对系统的稳定性不利，发热相对较大，对系统的稳定性不利，不推荐使用不推荐使用不推荐使用不推荐使用。

58、 OUT0VINX图4.47 电平输出时的高电平驱动VCCVCCXR开关量输入输出的隔离技术课件集电极开路输出集电极开路输出( (或漏极开路输出或漏极开路输出) )电路驱动继电器是很方便的，但只能低电路驱动继电器是很方便的，但只能低电平时驱动。图中电平时驱动。图中VCCVCC通常可以是通常可以是5V5V、6V6V、12V12V或或24V24V。对于输出部分已有。对于输出部分已有续流二极管的情况，二极管续流二极管的情况，二极管D1D1可以省略。数控系统电平输出时，驱动继电可以省略。数控系统电平输出时，驱动继电器的电路与图器的电路与图4.484.48类似，但继电器的电源电压类似，但继电器的电源电压

59、VCCVCC应该与数控系统输出部分应该与数控系统输出部分的电压相同。的电压相同。图4.48 继电器的续流二极管开关量输入输出的隔离技术课件当系统输出连接到数控系统输入时，当系统输出连接到数控系统输入时，必须区分数控必须区分数控系统的输入形式系统的输入形式。连接高电平输入驱动的电路。连接高电平输入驱动的电路(a)(a)时，时，通常要求高电平时输入电压达到通常要求高电平时输入电压达到电源电压减电源电压减1V(12V1V(12V供电时供电时) )或或2V(24V2V(24V供电时供电时) )以上以上，驱动电流达到，驱动电流达到20mA20mA以上，不使用专用驱动电路是很难达到这样的以上，不使用专用驱

60、动电路是很难达到这样的高电平电压和输出电流的高电平电压和输出电流的 连接低电平输入驱动的电路连接低电平输入驱动的电路(b)(b)时时，如果驱动电流可，如果驱动电流可小于小于10mA10mA，则也可直接使用光耦的输出三极管作为则也可直接使用光耦的输出三极管作为驱动管，将发射极接地，组成驱动管，将发射极接地，组成O.C.O.C.门输出电路。需门输出电路。需要更大电流时，使用要更大电流时，使用ULN2003/ULN2803ULN2003/ULN2803或类似电路或类似电路驱动是合适的驱动是合适的 开关量输入输出的隔离技术课件U1U1可以改用四路隔离光耦以增大输出信号数目，可以改用四路隔离光耦以增大输出信号数目，T0T6T0T6为输出为输出端端( (部分信号未连接部分信号未连接) )，最大可提供，最大可提供300mA300mA以上的驱动电流，以上的驱动电流，COMCOM通常接通常接+24V+24V，如果排阻的上拉电压不是，如果排阻的上拉电压不是24V24V，则阻值应相，则阻值应相应减小。应减小。图4.49需大电流的低电平输出隔离驱动电路开关量输入输出的隔离技术课件