变频器电路中的光耦器件应用研究

一、电路中为什么要使用光耦器件?

　　电气隔离的要求。A与B电路之间，要进行信号的传输，但两电路之间由于供电级别过于悬殊，一路为数百伏，另一路为仅为几伏;两种差异巨大的供电系统，无法将电源共用;

　　A电路与强电有联系，人体接触有触电危险，需予以隔离。而B线路板为人体经常接触的部分，也不应该将危险高电压混入到一起。两者之间，既要完成信号传输，又必须进行电气隔离;

　　运放电路等高阻抗型器件的采用，和电路对模拟的微弱的电压信号的传输，使得对电路的抗干扰处理成为一件比较麻烦的事情——从各个途径混入的噪声干扰，有可能反客为主，将有用信号“淹没”掉;

　　除了考虑人体接触的安全，又必须考虑到电路器件的安全，当光电耦合器件输入侧受到强电压(场)冲击损坏时，因光耦的隔离作用，输出侧电路却能安全无恙。

　　以上四个方面的原因，促成了光耦器件的研制、开发和实际应用。光耦的基本作用，是将输入、输出侧电路进行有效的电气上的隔离;能以光形式传输信号;有较好的抗干扰效果;输出侧电路能在一定程度上得以避免强电压的引入和冲击。

　　二、光电耦合器件的一般属性：

　　1、结构特点：输入侧一般采用发光二极管，输出侧采用光敏晶体管、集成电路等多种形式，对信号实施电-光-电的转换与传输。

　　2、输入、输出侧之间有光的传输，而无电的直接联系。输入信号的有无和强弱控制了发光二极管的发光强度，而输出侧接受光信号，据感光强度，输出电压或电流信号。

　　3、输入、输出侧有较高的电气隔离度，隔离电压一般达2000V以上。能对交、直流信号进行传输，输出侧有一定的电流输出能力，有的可直接拖动小型继电器。特殊型光耦器件能对毫伏，甚至微伏级交、直流信号进行线性传输。

　　4、因光耦的结构特性，输入、输出侧需要相互隔离的独立供电电源，即需两路无“共地”点的供电电源。下述一、二类光耦输入侧由信号电压提供了输入电流通路，但实质上输入信号回路，也是有一个供电支路的;而线性光耦，则输入侧与输出侧一样，是直接接有两种相隔离的供电电源的。

　　三、在变频器电路中，经常用到的光电耦合器件，有三种类型：

　　1、一种为三极管型光电耦合器，如PC816、PC817、4N35等，常用于开关电源电路的输出电压采样和误差电压放大电路，也应用于变频器控制端子的数字信号输入回路。结构最为简单，输入侧由一只发光二极管，输出侧由一只光敏三极管构成，主要用于对开关量信号的隔离与传输;

　　2、第二种为集成电路型光电耦合器，如6N137、HCPL2601等，输入侧发光管采用了延迟效应低微的新型发光材料，输出侧为门电路和肖基特晶体管构成，使工作性能大为提高。其频率响应速度比三极管型光电耦合器大为提高，在变频器的故障检测电路和开关电源电路中也有应用;

　　3、第三种为线性光电耦合器，如A7840。结构与性能与前两种光耦器件大有不同。在电路中主要用于对mV级微弱的模拟信号进行线性传输，在变频器电路中，往往用于输出电流的采样与放大处理、主回路直流电压的采样与放大处理。

　　下图为三类光耦器件的引脚、功能原理图：

　　三种光耦合器电路图

　　四、第一类光耦器件的测量与在线检测：

　　第一类型的光电耦合器，输入端工作压降约为1.2V，输入最大电流50mA，典型应用值为10 mA;输出最大电流1A左右，因而可直接驱动小型继电器，输出饱合压降小于0.4V。可用于几十kHz较低频率信号和直流信号的传输。对输入电压/电流有极性要求。当形成正向电流通路时，输出侧两引脚呈现通路状态，正向电流小于一定值或承受一定反向电压时，输出侧两引脚之间为开路状态。

　　测量方法：

　　数字表二极管档，测量输入侧正向压降为1.2V，反向无穷大。输出侧正、反压降或电阻值均接近无穷大;

　　指针表的x10k电阻档，测其1、2脚，有明显的正、反电阻差异，正向电阻约为几十kΩ，反向电阻无穷大;3、4脚正、反向电阻无穷大;

　　两表测量法。用指针式万用表的x10k电阻档(能提供15V 或9V、几十μA的电流输出)，正向接通1、2脚(黑笔搭1脚)，用另一表的电阻档用x1k测量3、4脚的电阻值，当1、2脚表笔接入时，3、4脚之间呈现20kΩ左右的电阻值，脱开1、2脚的表笔，3、4脚间电阻为无穷大。

　　可用一个直流电源串入电阻，将输入电流限制在10mA以内。输入电路接通时，3、4脚电阻为通路状态，输入电路开路时，3、4脚电阻值无穷大。

　　3、4种测量方法比较准确，如用同型号光耦器件相比较，甚至可检测出失效器件(如输出侧电阻过大)。

　　上述测量是新器件装机前的必要过程。对上线不便测量的情况下，必要时也可将器件从电路中拆下，离线测量，进一步判断器件的好坏。