【电路设计笔记】7.光耦隔离IO口的实现
文/Edward
前两天，开始我们乐创客第一块开发板的设计，当我在进行电路设计时，我发现一些电路设计软件的使用，一些电路设计的方案，一些创新的想法，一些元器件的选型这些都是可以记录成文，并且分享出来一起讨论的。因此从本节文字开始，正式开启电路【电路设计笔记】的更新。当然，这里的部分电路是我用了非常多年的成熟电路，一些电路是我临时创新想出的未经过验证的电路，这些没有被验证的电路我会指出来，大家阅读时如果发现有问题也希望不吝指出。
隔离电路的目的
在我们设计硬件系统的时候，经常有这样的困扰，有很长距离的控制线或者通讯线连接两个控制系统，而这样的系统在面对一些外部干扰，如射频干扰或者快速电脉冲群干扰时，非常容易造成两个系统之间的控制失效，或者通讯误码。面对这样的情况，隔离电路是一个很好的解决方案，它可以用很低的成本来解决通讯的干扰问题。甚至同一个电路板之间，功率部分对控制单元的干扰也可以利用隔离电路来增强其稳定性。
而在“电光-光电”隔离器件中，我们一般选用光耦隔离器件，光耦合器的输入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，它在长线传输信息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，可以大大增加计算机工作的可靠性。隔离电路的主要目的，是将两个系统之间的电气连接关系通过“电光-光电”转换器件，或者“电磁-磁电”转换器件来切断。所谓电气系统的切断，即不仅指控制信号的隔离，同样也是指两个部分的“地”信号完完全全隔离开来。这样的话，两个电路之间就没有了直接存在的电气关系，因而两个系统之间的射频辐射或者传导辐射也无法互相干扰，从而起到了抗干扰的目的。
图1 长距离通讯光耦隔离
一般最常用也最便宜的光耦合器器件，光耦合器（optical coupler，缩写为OC）也称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为中间媒介来传输电信号的器件，它通常把发光二极管（红外线发光二极管LED）与光敏器件（光敏半导体管，光敏电阻）封装在同一管壳内。当输入端加载电信号时发光侧的发光二极管发出光线，通过内部的光传导介质传送至受光器，受光器件在接受到发射器传来的光信号之后就能产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”控制。光电耦合器具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在数字电路上获得广泛的应用。
图2 6N138光耦实物图
图3 常用的光耦符号
日常使用中，最常用也最便宜的光耦为“xx817”光耦，很多厂家都有生产其兼容产品的光耦，其中最著名的两家就是夏普的PC817以及亿光的EL817。每个817系列的光耦又分成ABCD四个档次，当然现在光耦产品越来越成熟，已经完全不止这四个等级了。
图4 XX817系列光耦等级
这四个等级反应了光耦在日常使用时的CTR值的大小，光耦合器的电流传输比（CTR）是发光管的电流和光敏三极管的电流比的最小值。光耦合器的电流传输比合理的范围为50%~200%。当CTR<< span="">50%时，光耦中的发光二极管需要接入较大的电流才能使其工作，这样的话会增加控制系统控制光耦的功耗，造成较大的发热。若CTR>200%时，光耦就会变得非常灵敏，电路启动或者负载突变时造成的电源波动很可能会造成光耦的误触发，所以在选用光耦时，一定要注意这个参数。
接下来看一下817光耦的电流电压曲线。
图5 XX817光耦电流电压特性曲线
从817光耦的“If-Vce”曲线中，我们可以看出其和三极管具有相似的电流电压曲线，同样地，如果我们只用光耦作数字信号隔离的时候，仅仅只需要让光耦工作在非线性区即可。
以下的电路即为光耦隔离的常用电路，当MCU-PIN输出低电平时，U1的发光二极管导通，发光二极管就发光，输出测的光敏三极管就导通，而此时Q1导通，继电器吸合。当MCU-PIN为高电平时，U1的发光二极管不导通，发光二极管就不发光，输出测的光敏三极管就导通，而此时Q1截至，继电器断开。
图6 光耦驱动继电器电路
上面这个电路在以前一些工艺比较粗糙的单片机上面其实完全是可以的，因为例如最早的DIP40封装的51单片机最大吸入电流可以达到10mA左右，这个电流足以让光耦打开。但是现在一些比较新式的单片机如果这样接，可能会造成芯片温度过高的情况，这是因为三极管的If电流全部都流经单片机到地了，而现在的新式单片机制程工艺比较先进，沟道窄，无法吸入比较大的电流，因此，我们建议在光耦的控制端再加一个三极管去控制。
图7 MCU驱动光耦
这样仅仅依靠单片机的正常输出电流，就可以控制光耦的通断了。
以上是信号合理电路的实现，但是还有一个比较重要的是，要实现完全的电气隔离，单单信号隔离是不完整的，控制部分与驱动部分的电源和地也需要通过隔离芯片完全隔离。
在选用光耦时，特别是在用光耦隔离一些有频率的信号时，一定要注意光耦的转换频率。
图8 光耦的转换频率
比如这个817光耦，其转换频率为80kHz，且它的VCE输出5V时，最大的输出驱动电流Ic为2mA，这个电流显然是很难驱动一些外设的，因此，我们在选用光耦的时候，要考虑 需要输出的电流和频率。如果一定要对一些高频信号隔离时，要选用特定的高速光耦来实现。
除了817之外，还有一个应用非常广泛的光耦就是TLP521，它的用法和817系列的光耦用法大致类似，这里就不再细说了。
除了光电耦合器件之外，还有一种磁隔离芯片也能达到电气隔离的作用。关于磁隔离芯片和光耦的爬电距离和绝缘电压，我们下篇文章再说。