光電耦合直流控制電路及其應用

　　1概述

　　光耦（opticalcoupler）亦稱光電隔離器、光耦合器或光電耦合器。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發光器（紅外線發光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發光二極管發出光線，光敏三極管接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現了“電—光—電轉換。典型應用電路如下圖1-1所示。

　　光耦的主要優點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現了前端與負載完全的電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，減小電路干擾，簡化電路設計，工作穩定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發展起來的新型器件，現已廣泛用于電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離、脈沖放大電路、數字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設備及微機接口中。在單片開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過調節控制端電流來改變占空比，達到精密穩壓目的。

　　圖1_1 光耦開關控制直流電機輸入電路圖

　　2光耦典型電路

　　常用于反饋的光耦型號有TLP521、PC817等。這里以TLP521為例，介紹這類光耦的特性。圖2-1所示為光耦內部結構圖以及引腳圖。

　　TLP521的原邊相當于一個發光二極管，原邊電流If越大，光強越強，副邊三極管的電流Ic越大。副邊三極管電流Ic與原邊二極管電流If的比值稱為光耦的電流放大系數，該系數隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。作反饋用的光耦正是利用“原邊電流變化將導致副邊電流變化”來實現反饋，因此在環境溫度變化劇烈的場合，由于放大系數的溫漂比較大，應盡量不通過光耦實現反饋。此外，使用這類光耦必須注意設計外圍參數，使其工作在比較寬的線性帶內，否則電路對運行參數的敏感度太強，不利于電路的穩定工作。

　　通常選擇TL431結合TLP521進行反饋。這時，TL431的工作原理相當于一個內部基準為2.5 V的電壓誤差放大器（輸出的電壓進行誤差放大比較，然后將取樣電壓經過光電偶合器反饋控制脈寬占空比，達到穩定電壓的目的），所以在其1腳與3腳之間，要接補償網絡。

　　圖2-1 TLP521內部結構及管腳圖

　　TL431是由德州儀器生產的可控精密穩壓源，實物如圖2-3所示。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設置到從2.5V到36V范圍內的任何值。該器件的典型動態阻抗為0.2Ω，在很多應用中用它代替穩壓二極管，例如，數字電壓表，運放電路，可調壓電源，開關電源等。圖2-2所示為TL431引腳排列與使用連線圖。

　　圖2-2 TL431引腳排列與使用連線

　　常見的光耦反饋第1種接法。Vo為輸出電壓，Vd為芯片的供電電壓。com信號接芯片的誤差放大器輸出腳。注意左邊的地為輸出電壓地，右邊的地為芯片供電電壓地，兩者之間用光耦隔離。圖2-3所示接法的工作原理如下：當輸出電壓升高時，TL431的1腳（相當于電壓誤差放大器的反向輸入端）電壓上升，3腳（相當于電壓誤差放大器的輸出腳） 電壓下降，光耦TLP521的原邊電流If增大，光耦的另一端輸出電流Ic增大，電阻R4上的電壓降增大，com引腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減??；反之，當輸出電壓降低時，調節過程類似。

　　圖2-3 光耦反饋的第1、第2種接法

　　常見的第2種接法，與第1種接法不同的是，該接法中光耦的第4腳直接接到芯片的誤差放大器輸出端，而芯片內部的電壓誤差放大器必須接成同相端電位高于反相端電位的形式，利用運放的一種特性—當運放輸出電流過大（超過運放電流輸出能力）時，運放的輸出電壓值將下降，輸出電流越大，輸出電壓下降越多。因此，采用這種接法的電路，一定要把PWM（脈沖寬度調制）芯片的誤差放大器的兩個輸入引腳接到固定電位上，且必須是同向端電位高于反向端電位，使誤差放大器初始輸出電壓為高。圖2-3所示接法的工作原理是：當輸出電壓升高時，原邊電流If增大，輸出電流Ic增大，由于Ic已經超過了電壓誤差放大器的電流輸出能力，com腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減??；反之，當輸出電壓下降時，調節過程類似。

　　常見的第3種接法，如圖2-4所示。與第一種基本相似，不同之處在于多了一個電阻R6，該電阻的作用是對TL431額外注入一個電流，避免TL431因注入電流過小而不能正常工作。實際上如適當選取電阻值R3，電阻R6可以省略。調節過程基本上同1接法一致。

　　常見的第4種接法，如圖2-4所示。該接法與第2種接法類似，區別在于com端與光耦第4腳之間多接了一個電阻R4，其作用與第3種接法中的R6一致，其工作原理基本同接法2。

　　圖2-4 光耦反饋的第3、第4種接法

　　反饋方式1、3適用于任何占空比（接通時間與周期之比）情況，而反饋方式2、4比較適合于在占空比比較小的場合使用。

　　3總結

　　開關電源的光耦主要是隔離、提供反饋信號和開關作用。開關電源電路中光耦的電源是從高頻變壓器次級電壓提供的，當輸出電壓低于穩壓管電壓是給信號光耦接通，加大占空比，使得輸出電壓升高；反之則關斷光耦減小占空比，使得輸出電壓降低。旦高頻變壓器次級負載超載或開關電路有故障，就沒有光耦電源提供，光耦就控制著開關電路不能起振，從而保護開關管不至被擊穿燒毀。

　　圖3-1 LED電源驅動芯片TMG0165電路設計

　　通常光耦與TL431一起使用。上圖3-1是LED電源驅動芯片（開關電源芯片） TMG0165的電路設計。兩電阻串聯取樣到TL431R端與內部比較器進行比較。然后根據比出的信號再控制TL431K端（陽極接光耦那一端）對地的電阻，然后達到控制光耦內部發光二極管的亮度。（光耦內部一邊是一發光二極管，一邊是一光敏三極管）通過發光的強度?？刂屏硪欢巳龢O管的CE端的電阻也就是改變了LED電源驅動芯片（開關電源芯片）TMG0165檢測腳的電流（1腳：電壓反饋引腳，通過連接光耦到地來調整占控比）。根據電流的大小，LED電源驅動芯片（開關電源芯片） TMG0165就會自動調整輸出信號的占空比，達到穩壓的目的。