電路設(shè)計與制作（含活頁式實訓(xùn)工單） 課件 項目3 隔離輸入輸出電路的設(shè)計

項目3

隔離輸入輸出電路的設(shè)計

項目引入實現(xiàn)輸入和輸出之間的電氣隔離往往是電路設(shè)計中需要考慮的因素，電氣隔離通常用于保護電路免受電流干擾和噪聲等外部因素的影響。電路的設(shè)計需要考慮電源供電的隔離、輸入輸出信號的隔離、通信線路的隔離等，供電電路的隔離在上一個項目中有所涉及，本項目重點關(guān)注輸入輸出信號的隔離。作為本書案例的隔離控制器，其主要功能就在于對目標(biāo)信號的隔離控制，開關(guān)量信號的隔離輸入輸出電路是其電路的重要部分，本項目的實施將完成這部分電路的設(shè)計。學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)理解隔離輸入輸出電路的定義、作用；熟悉隔離輸入輸出電路設(shè)計中常用的隔離技術(shù)；掌握隔離輸入輸出電路的布局、連接方式、選型和調(diào)試方法。技能目標(biāo)能夠根據(jù)實際需求選擇合適的隔離技術(shù)，并設(shè)計符合要求的隔離輸入輸出電路；能夠熟練運用儀器設(shè)備進行隔離輸入輸出電路的測試、調(diào)試和驗證；能夠分析并解決隔離輸入輸出電路中可能出現(xiàn)的問題。素養(yǎng)目標(biāo)建立安全意識和責(zé)任意識，保障用戶和設(shè)備的電氣安全；培養(yǎng)學(xué)生實驗精神和創(chuàng)新意識，不斷探索新的技術(shù)和方法；培養(yǎng)學(xué)生遵守職業(yè)道德和法律法規(guī)，確保設(shè)計過程和結(jié)果的合法合規(guī)性。項目3

隔離輸入輸出電路的設(shè)計

任務(wù)1數(shù)字量輸入電路設(shè)計任務(wù)描述數(shù)字量輸入電路設(shè)計是為了將數(shù)字信號輸入到電路中。在這個任務(wù)中，讀者學(xué)習(xí)光耦隔離的相關(guān)電路知識，并為隔離控制器設(shè)計一個電路，將來自數(shù)字傳感器或其他數(shù)字設(shè)備的信號進行隔離和處理，并將其轉(zhuǎn)換為適合于后續(xù)處理的電平。知識儲備

一、光電耦合器1.光電耦合器簡介光電隔離器（OpticalCoupler，，OC）亦稱光電耦合器、光耦合器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號，對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。光電耦合器組裝了發(fā)光器件（如發(fā)光二極管）和光敏器件（如光敏三極管），利用光線實現(xiàn)光—電—光的轉(zhuǎn)換。1.光電耦合器簡介光電耦合器種類很多，圖3-1所示為常用的三極管型光電耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，該光電耦合器為4腳封裝的接收型三極管。1.光電耦合器簡介當(dāng)電信號送入光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極管通過電流而產(chǎn)生光亮，光敏三極管受到光照后產(chǎn)生電流，三極管導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無信號，發(fā)光二極管無電流通過，無光照產(chǎn)生，光敏三極管截止，三極管CE不通。對于數(shù)字量而言，當(dāng)輸入為低電平“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平“0”。這種光耦合器性能較好，價格便宜，因而應(yīng)用廣泛。光電耦合器的優(yōu)點在于其信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，而且無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。2.光電耦合器的抗干擾性光電耦合器能在傳輸信號的同時，有效地抑制尖脈沖和各種雜訊干擾，使通道上的信噪比大為提高，主要有以下幾方面的原因：（1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗往往很大，通常為105～106Ω。因此，即便干擾電壓的幅度較大，但反饋到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會很小，只能形成微弱電流，不足以使光耦內(nèi)部的二極管發(fā)光。2.光電耦合器的抗干擾性（2）光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，且二者之間的分布電容極小，絕緣電阻卻很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。（3）光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號線短接時，也不會造成損壞。因為光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。（4）光電耦合器的響應(yīng)速度極快，其延遲時間只有10s左右，適用于對響應(yīng)速度要求高的場合。3.部分光電隔離技術(shù)的應(yīng)用（1）計算機接口電路中的光電隔離計算機有多個輸入接口，接收來自遠(yuǎn)處現(xiàn)場設(shè)備傳來的狀態(tài)信號，計算機處理這些信號后，輸出各種控制信號去執(zhí)行相應(yīng)的操作。在現(xiàn)場環(huán)境較惡劣時，會存在較大的雜訊干擾，若這些干擾隨輸入信號一起進入計算機系統(tǒng)，將使控制的準(zhǔn)確性降低，產(chǎn)生誤動作。因而，可在計算機的輸入和輸出端，利用光電耦合器對信號及雜訊干擾進行隔離。3.部分光電隔離技術(shù)的應(yīng)用典型的光電耦合電路如圖所示。該電路主要應(yīng)用在“A／D轉(zhuǎn)換器”的數(shù)字信號輸出、由CPU發(fā)出對端口的控制信號、數(shù)字信號的端口輸入等，從而實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的信號通路相聯(lián)，同時，各信號在電氣通路上相互隔離，可實現(xiàn)將模擬電路和數(shù)字電路相互隔離，起到抑制交叉干擾的作用。3.部分光電隔離技術(shù)的應(yīng)用在計算機控制系統(tǒng)中，開關(guān)量的控制應(yīng)用較多，這些開關(guān)量一般經(jīng)過計算機的I/O輸出，而I/O的驅(qū)動能力有限，一般不足以驅(qū)動一些電磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動電路。為避免計算機受到干擾，須采取隔離措施。例如，可控硅所在的主電路一般是交流強電回路，電壓較高，電流較大，不易與計算機系統(tǒng)直接相連，可應(yīng)用光耦合器將計算機控制信號與可控硅觸發(fā)電路進行隔離。3.部分光電隔離技術(shù)的應(yīng)用電路實例如圖所示。在馬達控制電路中，也可利用光耦隔離控制電路與馬達高壓電路。馬達高壓電路靠MOSFET或IGBT功率管提供驅(qū)動電流，控制信號和功率管之間需要隔離放大級。在光耦隔離級—放大器級—大功率管的連接形式中，要求光耦具有高輸出電壓、高速和高共模抑制等特性。3.部分光電隔離技術(shù)的應(yīng)用（3）遠(yuǎn)距離的隔離傳送。在計算機應(yīng)用系統(tǒng)中，由于測控系統(tǒng)與被測控設(shè)備之間不可避免地要進行長距離傳輸，信號在傳輸過程中很容易受到干擾，導(dǎo)致傳輸信號發(fā)生畸變或失真。另外，相距較遠(yuǎn)的設(shè)備通過長電纜連接，常因設(shè)備間的地線電位差，導(dǎo)致出現(xiàn)對地環(huán)路電流，對電路形成干擾。為確保長距離傳輸?shù)目煽啃?，可采用光電耦合隔離，將2個電路的電氣連接隔開，切斷可能形成的環(huán)路，使其相互獨立，提高電路系統(tǒng)的抗干擾性能。若傳輸線較長，現(xiàn)場干擾嚴(yán)重，可通過兩級光電耦合器將長線完全“浮置”起來，如圖3-4所示。3.部分光電隔離技術(shù)的應(yīng)用從圖3-4可以看出，長線的“浮置”去掉了長線兩端間的公共地線，不但有效消除了各電路的電流經(jīng)公共地線時所產(chǎn)生的雜訊電壓，避免形成相互竄擾，而且也有效地解決了長線驅(qū)動和阻抗匹配的問題。同時，若受控設(shè)備短路時，還能保護系統(tǒng)不受損害。課堂思考如將光耦隔離應(yīng)用于通信，與其他通信技術(shù)相比有什么優(yōu)缺點？在什么情況下通信中可以使用光耦隔離技術(shù)？4.注意事項（1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源，若兩端共用一個電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。（2）當(dāng)用光電耦合隔離輸入輸出通道時，必須隔離所有的信號（包括數(shù)字量信號、控制量信號、狀態(tài)信號），使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則達不到隔離效果。二、光耦的規(guī)格參數(shù)在隔離控制器的電路中，采用了EL357N光耦做隔離，其規(guī)格書如圖3-5所示。從規(guī)格書封面中可以查看光耦性能簡介等重要信息。其中包括該光耦的簡要介紹、用途的示例說明，對光耦的4個引腳也進行了標(biāo)識。但更詳細(xì)的規(guī)格參數(shù)仍然需要參看規(guī)格書內(nèi)頁。二、光耦的規(guī)格參數(shù)規(guī)格書中也包含了絕對最大額定值表，幫助用戶確定光耦的應(yīng)用條件，見表3-1。輸入輸出的最大額定參數(shù)可以結(jié)合光耦示意圖中二極管和三極管的結(jié)構(gòu)來理解。二、光耦的規(guī)格參數(shù)除此以外，規(guī)格書中也包含了光耦的電氣參數(shù)表，供設(shè)計電路時參考，見表3-2。表3-2電氣參數(shù)表二、光耦的規(guī)格參數(shù)為了提供更詳細(xì)的信息，以便設(shè)計，規(guī)格書給出了實驗室中指定條件下測得的電氣參數(shù)的電路圖。供測試用的示例電路如圖3-6,機械尺寸如圖3-7。三、隔離輸入電路使用光耦作為輸入電路的隔離器件，配合隔離電源的使用，可以讓輸入端與控制系統(tǒng)完全隔離，這樣外部輸入信號就不會影響控制系統(tǒng)的工作。其參考電路如圖3-8所示。三、隔離輸入電路電路中與光耦配合的電阻可以按如下方式簡略計算：從手冊中我們查到，EL357N的輸入二極管壓降是1.2V，電流傳輸比取50%，原邊是12V，副邊是3.3V，算一下限流電阻和上拉電阻的大小。三、隔離輸入電路二極管工作不能超過50mA，實際電流取20mA。R2=（12-1.2）/0.02=540Ω

（3-1）這里取R2電阻值為510Ω，那么，IF=（12-1.2）/510=21.2mA（3-2）IC=21.2*0.5=10.6mA（3-3）R1=（3.3-Vce）/0.0106=311Ω

（3-4）三、隔離輸入電路Vce是三極管的飽和壓降，這里簡化為0V，還要考慮到充分的進入飽和狀態(tài)，可以取R1為2倍，這里取620Ω。注意，實際光耦電路中元件參數(shù)的計算要參考規(guī)格書中的圖表，尤其要注意If、Ic的選擇，選擇時重點結(jié)合IC、IF、VCE曲線圖，同時還要兼顧速率。項目3

隔離輸入輸出電路的設(shè)計

任務(wù)2數(shù)字量輸出電路設(shè)計任務(wù)描述數(shù)字量輸出電路設(shè)計旨在為數(shù)字信號的控制提供一種解決方案。該任務(wù)需要設(shè)計隔離控制器中部分功能電路，使其能夠?qū)?shù)字信號轉(zhuǎn)換為電氣信號，并在需要的時候?qū)⑵漭敵龅狡渌O(shè)備或系統(tǒng)中。在實際工作中,針對控制對象的不同可以采用不同類型的輸出方式，本任務(wù)給出繼電器輸出和光耦隔離輸出兩種方式，隔離控制器的輸出電路中采用的是光耦隔離方式。知識儲備

一、繼電器輸出1.繼電器簡介繼電器是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量（激勵量）的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動關(guān)系。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。1.繼電器簡介繼電器工作如圖3-9所示。2.繼電器作用繼電器一般都有能反映一定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感應(yīng)機構(gòu)（輸入部分）；有能對被控電路實現(xiàn)“通”、“斷”控制的執(zhí)行機構(gòu)（輸出部分）；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對輸入量進行耦合隔離、功能處理和對輸出部分進行驅(qū)動的中間機構(gòu)（驅(qū)動部分）。2.繼電器作用作為控制元件，繼電器有如下一些作用：（1）擴大控制范圍：例如，多觸點繼電器控制信號達到某一定值時，可以按觸點組的不同形式，同時換接、開斷、接通多路電路。（2）放大信號：例如，靈敏型繼電器、中間繼電器等，用一個很微小的控制量，可以控制很大功率的電路。（3）綜合信號：例如，當(dāng)多個控制信號按規(guī)定的形式輸入多繞組繼電器時，經(jīng)過比較綜合，達到預(yù)定的控制效果。（4）自動、遙控、監(jiān)測：例如，自動裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程序控制線路，從而實現(xiàn)自動化運行。3.繼電器種類按輸入量分類電壓繼電器、電流繼電器、時間繼電器、速度繼電器、壓力繼電器等按工作原理分類電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器、電動式繼電器、電子式繼電器等按用途分類控制繼電器、保護繼電器等按輸入量變化形式分類有無繼電器、量度繼電器3.繼電器種類有無繼電器是根據(jù)輸入量的有或無來動作的，無輸入量時繼電器不動作，有輸入量時繼電器動作，如中間繼電器、通用繼電器、時間繼電器等。量度繼電器是根據(jù)輸入量的變化來動作的，工作時其輸入量是一直存在的，只有當(dāng)輸入量達到一定值時繼電器才動作，如電流繼電器、電壓繼電器、熱繼電器、速度繼電器、壓力繼電器、液位繼電器等。4.電磁式繼電器在控制電路中用的繼電器大多數(shù)是電磁式繼電器。電磁式繼電器具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用維護方便等特點，在低壓控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。常用的電磁式繼電器有電流繼電器、電壓繼電器、中間繼電器以及各種小型通用繼電器等。4.電磁式繼電器電磁式繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理與接觸器相似，主要由電磁機構(gòu)和觸點組成。電磁式繼電器有直流和交流兩種。在線圈兩端加上電壓或通入電流，將產(chǎn)生電磁力。當(dāng)電磁力大于彈簧反力時，吸動銜鐵使常開常閉接點動作；當(dāng)線圈的電壓或電流下降或消失時銜鐵釋放，接點復(fù)位。其結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。5.繼電器主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)（1）額定工作電壓。是指繼電器正常工作時線圈所需要的電壓。根據(jù)繼電器的型號不同，工作電壓可以是交流電壓，也可以是直流電壓。（2）直流電阻。是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過萬用表測量。（3）吸合電流。是指繼電器能夠產(chǎn)生吸合動作的最小電流。在正常使用時，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。而對于線圈所加的工作電壓，一般不要超過額定工作電壓的1.5倍，否則會產(chǎn)生較大的電流而把線圈燒毀。5.繼電器主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)（4）釋放電流。是指繼電器產(chǎn)生釋放動作的最大電流。當(dāng)繼電器吸合狀態(tài)的電流減小到定程度時，繼電器就會恢復(fù)到未通電的釋放狀態(tài)，這時的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸合電流。（5）觸點切換電壓和電流。是指繼電器允許加載的電壓和電流。它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小，使用時不能超過此值，否則很容易損壞繼電器的觸點。6.繼電器測試（1）測觸點電阻。用萬用表的電阻擋，測量常閉觸點與動點電阻，其阻值應(yīng)為0；而常開觸點與動點的阻值就為無窮大。由此可以區(qū)別出那個是常閉觸點，那個是常開觸點。（2）測線圈電阻?？捎萌f用表R×10擋測量繼電器線圈的阻值，從而判斷該線圈是否存在著開路現(xiàn)象。6.繼電器測試（3）測量吸合電壓和吸合電流。用可調(diào)穩(wěn)壓電源和電流表，給繼電器輸入一組電壓，且在供電回路中串入電流表進行監(jiān)測。慢慢調(diào)高電源電壓，聽到繼電器吸合的聲音時，記錄吸合電壓和吸合電流。為求準(zhǔn)確，可以嘗試多次求平均值。6.繼電器測試（4）測量釋放電壓和釋放電流。如上所述連接測試，當(dāng)繼電器發(fā)生吸合后，再逐漸降低供電電壓，當(dāng)聽到繼電器再次發(fā)生釋放聲音時，記下此時的電壓和電流，亦可嘗試多次而取得平均的釋放電壓和釋放電流。一般情況下，繼電器的釋放電壓為吸合電壓的10%~50%如果釋放電壓大小(小于1/10的吸合電壓)，則不能正常使用，這樣會對電路的穩(wěn)定性造成威脅，使工作不可靠。7.繼電器的驅(qū)動（1）晶體管驅(qū)動繼電器。繼電器線圈需要流過較大的電流（約50mA）才能使繼電器吸合，一般的集成電路不能提供這樣大的電流，因此必須進行擴流，即驅(qū)動。如圖3-11所示。7.繼電器的驅(qū)動圖3-11為用NPN型三極管驅(qū)動繼電器的電路圖，圖中虛線部分為繼電器電路，繼電器線圈作為集電極負(fù)載而接到集電極和正電源之間。當(dāng)輸入為0V時，三極管截止，繼電器線圈無電流流過，則繼電器釋放（OFF）；相反，當(dāng)輸入為+VCC時，三極管飽和，繼電器線圈有相當(dāng)?shù)碾娏髁鬟^，則繼電器吸合（ON）。圖3-11NPN驅(qū)動繼電器7.繼電器的驅(qū)動圖3-11中續(xù)流二極管起保護作用，當(dāng)輸入電壓由變+VCC為0V時，三極管由飽和變?yōu)榻刂?，此時繼電器電感線圈中的電流突然失去了流通通路，若無續(xù)流二極管的存在，則將在線圈兩端產(chǎn)生較大的反向電動勢，極性為下正上負(fù)，電壓值可達一百多伏，這個電壓加上電源電壓作用在三極管的集電極上，足以損壞三極管。反向電動勢可以通過續(xù)流二極管導(dǎo)通放電使三極管集電極對地的電壓最高不超過+VCC+0.7V。圖3-11NPN驅(qū)動繼電器7.繼電器的驅(qū)動圖3-11中電阻R1和R2的取值必須能讓輸入為+VCC時的三極管可靠地飽和，即有βIB>ICE(3-5)在上圖中假設(shè)VCC=5V，ICE=50mA，β=100，則有IB>0.5mA,而IB=（VCC-VBE）/R1-VBE/R2(3-6)若取R2=4.7K，則R1<6.63K，為了使三極管有一定的飽和深度和兼顧三極管電流放大倍數(shù)的離散性，一般取R1=3.6K左右即可。7.繼電器的驅(qū)動若取R1=3.6K，當(dāng)集成電路控制端為+VCC時，應(yīng)能至少提供1.2mA的驅(qū)動電流（流過R1的電流）給本驅(qū)動電路，而許多集成電路（例如標(biāo)準(zhǔn)8051單片機）輸出的高電平不能達到這個要求，但它的低電平驅(qū)動能力則比較強（例如標(biāo)準(zhǔn)8051單片機I/O口輸出低電平能提供20mA的驅(qū)動電流（這里說的是漏電流），則應(yīng)該用如圖3-12所示的電路來驅(qū)動繼電器。7.繼電器的驅(qū)動圖3-12中R2起到上拉作用，這里將NPN三極管變?yōu)镻NP三極管，電流方向、電壓極性和繼電器邏輯都應(yīng)有所變化。當(dāng)輸入為0V時，三極管飽和，從而使繼電器線圈有相當(dāng)?shù)碾娏髁鬟^，繼電器吸合；相反，當(dāng)輸入為+VCC時，三極管截止，繼電器釋放。7.繼電器的驅(qū)動（2）集成電路ULN2003驅(qū)動繼電器。集成電路驅(qū)動器ULN2003，其結(jié)構(gòu)引腳如圖3-13所示。7.繼電器的驅(qū)動ULN2003A的單元結(jié)構(gòu)原理如圖3-14所示。7.繼電器的驅(qū)