變頻器電路中的光耦器件

變頻器電路中的光耦器件

一、電路中爲什麽要使用光耦器件？
　　電氣隔離的要求。A與B電路之間，要進行信號的傳輸，但兩電路之間由于供電級別過于懸殊，一路爲數百伏，另一路爲僅爲幾伏；兩種差異巨大的供電系統，無法將電源共用；
　　A電路與強電有聯系，人體接觸有觸電危險，需予以隔離。而B線路板爲人體經常接觸的部分，也不應該將危險高電壓混入到一起。兩者之間，既要完成信號傳輸，又必須進行電氣隔離；
　　運放電路等高阻抗型器件的采用，和電路對模擬的微弱的電壓信號的傳輸，使得對電路的抗幹擾處理成爲一件比較麻煩的事情——從各個途徑混入的噪聲幹擾，有可能反客爲主，將有用信號“淹沒”掉；
　　除了考慮人體接觸的安全，又必須考慮到電路器件的安全，當光電耦合器件輸入側受到強電壓（場）沖擊損壞時，因光耦的隔離作用，輸出側電路卻能安全無恙。
　　以上四個方面的原因，促成了光耦器件的研制、開發和實際應用。光耦的基本作用，是將輸入、輸出側電路進行有效的電氣上的隔離；能以光形式傳輸信號；有較好的抗幹擾效果；輸出側電路能在一定程泡殼度上得以避免強電壓的引入和沖擊。
　　二、光電耦合器件的一般屬性：
　　1、結構特點：輸入側一般采用發光二極管，輸出側采用光敏晶體管、集成電路等多種形式，對信號實施電-光-電的轉換與傳輸。
　　2、輸入、輸出側之間有光的傳輸，而無電的直接聯系。輸入信號的有無和強弱控制了發光二極管的發光強度，而輸出側接受光信號，據感光強度，輸出電壓或電流信號。
　　3、輸入、輸出側有較高的電氣隔離度，隔離電壓一般達2000V以上。能對交、直流信號進行傳輸，輸出側有一定的電流輸出能力，有的可直接拖動小型繼電器。特殊型光耦器件能對毫伏，甚至微伏級交、直流信號進行線性傳輸。
　　4、因光耦的結構特性，輸入、輸出側需要相互隔離的獨立供電電源，即需兩路無“共地”點的供電電源。下述一、二類光耦輸入側由信號電壓提供了輸入電流通路，但實質上輸入信號回路，也是有一個供電支路的；而線性光耦，則輸入側與輸出側一樣，是直接接有兩種相隔離的供電電源的。
　　三、在變頻器電路中，經常用到的光電耦合器件，有三種類型：
　　1、一種爲三極管型光電耦合器，如PC816、PC817、4N35等，常用于開關電源電路的輸出電壓采樣和誤差電壓放大電路，也應用于變頻器控制端子的數字信號輸入回路。結構最爲簡單，輸入側由一只發光二極管，輸出側由一只光敏三極管構成，主要用于對開關量信號的隔離與傳輸；
　　2、第二種爲集成電路型光電耦合器，如6N137、HCPL2601等，輸入側發光管采用了延遲效應低微的新型發光材料，輸出側爲門電路和肖基特晶體管構成，使工作性能大爲提高。其頻率響應速度比三極管型光電耦合器大爲提高，在變頻器的故障檢測電路和開關電源電路中也有應用；
　　3、第三種爲線性光電耦合器，如A7840。結構與性能與前兩種光耦器件大有不同。在電路中主要用于對mV級微弱的模擬信號進行線性傳輸，在變頻器電路中，往往用于輸出電流的采樣與放大處理、主回路直流電壓的采樣與放大處理。

　　三種光耦合器電路圖
　　四、第一類光耦器件的測量與在線檢測：
　　第一類型的光電耦合器，輸入端工作壓降約爲1。2V，輸入最大電流50mA，典型應用值爲10 mA；輸出最大電流1A左右，因而可直接驅動小型繼電器，輸出飽合壓降小于0。4V。可用于幾十kHz較低頻率信號和直流信號的傳輸。對輸入電壓/電流有極性要求。當形成正向電流通路時，輸出側兩引腳呈現通路狀態，正向電流小于一定值或承受一定反向電壓時，輸出側兩引腳之間爲開路狀態。
　　測量方法：
　　數字表二極管檔，測量輸入側正向壓降爲1。2V，反向無窮大。輸出側正、反壓降或電阻值均接近無窮大；
　　指針表的x10k電阻檔，測其1、2腳，有明顯的正、反電阻差異，正向電阻約爲幾十kΩ，反向電阻無窮大；3、4腳正、反向電阻無窮大；
　　兩表測量法。用指針式萬用表的x10k電阻檔（能提供15V 或9V、幾十μA的電流輸出），正向接通1、2腳（黑筆搭1腳），用另一表的電阻檔用x1k測量3、4腳的電阻值，當1、2腳表筆接入時，3、4腳之間呈現20kΩ左右的電阻值，脫開1、2腳的表筆，3、4腳間電阻爲無窮大。
　　可用一個直流電源串入電阻，將輸入電流限制在10mA以內。輸入電路接通時，3、4腳電阻爲通路狀態，輸入電路開路時，3、4腳電阻值無窮大。
　　3、4種測量方法比較准確，如用同型號光耦器件相比較，甚至可檢測出失效器件（如輸出側電阻過大）。
　　上述測量是新器件裝機前的必要過程。對上線不便測量的情況下，必要時也可將器件從電路中拆下，離線測量，進一步判斷器件的好壞。
　　在實際檢修中，離線電阻測量不是很便利，上電檢測則較爲方便和准確。要采取措施，將輸入側電路變動一下，根據輸出側産生的相應的變化（或無變化），測量判斷該器件的好壞。即打破故障電路中的“平衡狀態”，使之出現伺服馬達“暫態失衡”，從而將故障原因暴露出來。光耦器件的輸入、輸出側在電路中串有限流電阻，在上電檢測中，可用減小（並聯）電阻和加大電阻的方法（將其開路）等方法，配合輸出側的電壓檢測，判斷光耦器件的好壞。部分電路中，甚至可用直接短接或開路輸入側、輸出側，來檢測和觀察電路的動態變化，利于判斷故障區域和檢修工作的開展。
　　測量時的注意事項：光耦器件的一側可能與“強電”有直接聯系，觸及會有觸電危險，建議維修過程中爲機器提供隔離電源！

　　爲變頻器可程式控制器控制端子電路的數字信號輸入電路，當正轉端子FWD與公共端子COM短接時，PC817的1、2腳之間的電壓由0V變爲1。2V，4腳電壓由5V變爲0V。同理，當控制端子呈開路狀態時，PC817的1、2腳之間電壓爲0V，而3、4腳之間電壓爲5V。圖（1）電路可以看出光耦器件的各腳電壓值，故障或正常狀態測量輸入、輸出腳電壓即可得出判斷。
　　上圖（2）電路，測量1、2之間爲0。7V（交流信號平均值），3、4腳之間爲3V ，說明光電耦合器有了輸入信號，但光耦器件本身是否正常？用金屬鑷子短接PC817的1、2腳，測量4腳的電壓由原3V上升爲5V（或有明顯上升），說明光耦器件是好的。若電壓不變，說明光耦損壞。
　　五、第二類光耦器件的測量與在線檢測：
　　第二種類型的光電耦合器（6N137），輸入端工作壓降約爲1。5V左右，但輸入、輸出最大電流僅爲mA級，只起到對較高頻率信號的傳輸作用，電路本身不具備電流驅動能力，可用于對MHz級信號進行有效的傳輸。同第一類光耦器件一樣，對輸入電壓/電流有極性要求。當形成正向電流通路時，輸出側兩引腳呈現通路狀態，正向電流小于一定值或承受一定反向電壓時，輸出側兩引腳之間爲開路狀態。
　　此種類型光耦器件的構成電路，同第一類光耦器件構成的電路形式相類似，但電路傳輸的信號頻率較高。其測量與檢查方法也基本上是相似的。如果說第一類光耦爲低速和普通光耦，那麽第二類光耦合器，可稱之爲高速光耦，二者的區別，只是對信號響應速度的不同，在電路形式上則是相同的。
　　在線測量，1、可用短接或開路2、3輸入腳，同時測量輸出6、5腳的電壓變化； 2、減小或加大輸入腳外接電阻，測量輸出腳電壓有無相應變化；3、從+5V供電或其它供電串限流電阻引入到輸入腳，檢測輸出腳電壓有無相應變化。來判斷器件是否正常。
六、第三類光耦器件——線性光耦：
　　線性光耦，是光電耦合器中一種比較特殊的器件了。
　　1、線性光耦的特點：
　　（1） 結構特點：其輸入、輸出側電路，不再像第一類光耦器件一樣，只是
　　二極管/三極管的簡單電路，而是內含放大器，並有各自獨立的供電回路；沒有信號輸入極性要求，只將輸入信號幅度進行線性放大。
　　（2）輸入側信號輸入端，不再呈現發光二極管的正、反向特性，或許我們完全可以將兩個信號輸入端看作是運算放大器的兩個輸入端子——輸入阻抗非常高，不再吸取信號源電流；能用作微弱電壓信號的輸入和放大；能對差分信號有極高的放大能力，對共模信號有一定的抑制能力；
　　（3）輸出側電路，爲差分信號輸出模式，便于與後級放大器連接，將信號作進一步處理。
　　2、線性光耦器件A7840的引包裝公司腳功能圖：
　　
　　A7840（HCPL-7840）功能方框圖
　　A7840（HCPL-7840）的工真空成型作參數：輸入側、輸出側的供電典型值爲5V，輸入電阻480kΩ，最大輸入電壓320mV；差分信號輸出方式。內部輸入電路有放大作用，且爲高阻抗輸入，能不失真傳輸mV級交、直流信號，輸出信號作爲後級運算放大器差分輸入信號。具有1000倍左右的電壓放大倍數。典型應用，常與後級運算放大器配合，對微弱（交、直）電壓信號進行放大和處理。
　　2、3腳爲信號輸入腳，1、4腳爲輸入側供電端；6、7腳爲差分信號輸出腳，8、5腳爲輸出側供電端。
　　在線檢測方法：可將內部電路看作是一只“整體的運算放大器”，2、3腳爲同相、反相輸入端，7、6腳爲信號輸出端。當短接2、3腳（使輸入信號爲零）時，6、7腳之間輸出電壓也爲零。當2、3腳有mV級電壓輸入時，6、7腳之間有“放大了的”比例電壓輸出。