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变频器电路中的光耦器件

时间:2010-01-25   来源:   作者:旷野之雪   点击:……  字体大小:【

一、电路中为什么要使用光耦器件?

  1. 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;
  2. 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;
  3. 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;
  4. 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:

  1. 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;
  2. 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;
  3. 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。
  4. 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。
    在实际检修中,离线电阻测量不是很便利,上电检测则较为方便和准确。要采取措施,将输入侧电路变动一下,根据输出侧产生的相应的变化(或无变化),测量判断该器件的好坏。即打破故障电路中的“平衡状态”,使之出现“暂态失衡”,从而将故障原因暴露出来。光耦器件的输入、输出侧在电路中串有限流电阻,在上电检测中,可用减小(并联)电阻和加大电阻的方法(将其开路)等方法,配合输出侧的电压检测,判断光耦器件的好坏。部分电路中,甚至可用直接短接或开路输入侧、输出侧,来检测和观察电路的动态变化,利于判断故障区域和检修工作的开展。
    测量时的注意事项:光耦器件的一侧可能与“强电”有直接联系,触及会有触电危险,建议维修过程中为机器提供隔离电源!

    下图为常见三极管光耦器件的应用电路图。
 
光电耦合器在线检测示意图
    上图中的(1)电路,为变频器控制端子电路的数字信号输入电路,当正转端子FWD与公共端子COM短接时,PC817的1、2脚之间的电压由0V变为1.2V,4脚电压由5V变为0V。同理,当控制端子呈开路状态时,PC817的1、2脚之间电压为0V,而3、4脚之间电压为5V。图(1)电路可以看出光耦器件的各脚电压值,故障或正常状态测量输入、输出脚电压即可得出判断。
    上图(2)电路,测量1、2之间为0.7V(交流信号平均值),3、4脚之间为3V ,说明光电耦合器有了输入信号,但光耦器件本身是否正常?用金属镊子短接PC817的1、2脚,测量4脚的电压由原3V上升为5V(或有明显上升),说明光耦器件是好的。若电压不变,说明光耦损坏。

五、第二类光耦器件的测量与在线检测
    第二种类型的光电耦合器(6N137),输入端工作压降约为1.5V左右,但输入、输出最大电流仅为mA级,只起到对较高频率信号的传输作用,电路本身不具备电流驱动能力,可用于对MHz级信号进行有效的传输。同第一类光耦器件一样,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。
此种类型光耦器件的构成电路,同第一类光耦器件构成的电路形式相类似,但电路传输的信号频率较高。其测量与检查方法也基本上是相似的。如果说第一类光耦为低速和普通光耦,那么第二类光耦合器,可称之为高速光耦,二者的区别,只是对信号响应速度的不同,在电路形式上则是相同的。
    在线测量,1、可用短接或开路2、3输入脚,同时测量输出6、5脚的电压变化; 2、减小或加大输入脚外接电阻,测量输出脚电压有无相应变化;3、从+5V供电或其它供电串限流电阻引入到输入脚,检测输出脚电压有无相应变化。来判断器件是否正常;

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Tags:光耦    
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