接口电子器件中的光耦合器模块

工业电子设备在电气噪声和机械挑战性的环境中运行。问题在于，自动化、控制和仪表组件依赖于没有电气干扰或失真的精确信号来正常运行。因此，光耦合器模块通常被工程师用作信号源以及电源、工业控制和其他组件之间的信号保护中介。

在工业应用中，光耦合器模块是一种独立的DIN导轨安装器件，为信号路径提供光学隔离。其核心是一个光耦合器，即一个具有发光二极管或LED和一个光敏器件的电路。光耦合器模块的输入侧包括电源或信号输入电子器件以及LED。输出包括输出电路中的光敏器件(通常是光电晶体管或光电二极管)。当电流通过LED时，它会导致红外光的发射，从而激活光敏器件，从而使电流通过光耦合器的输出。这样，光耦合器输出类似于数字开关，根据输入电压信号的存在而打开和关闭。

光耦合器的一个关键参数是电流传输比或CTR，它是输入和输出电流之间比率的量度。虽然工业控制器无需光耦合器即可工作，但后者可提高安全性、可靠性和准确性，并避免直接进行(非隔离)信号连接的潜在问题。

1. 光耦合器模块可防止电气干扰： 从简单的机械限位开关信号到基于协议的数据传输，在工业环境中，一切都容易受到电噪声的影响。如果这些信号必须传播任何距离，则它们最容易受到攻击。在这里，光耦合器可以隔离流经接地连接的杂散电流产生的共模噪声。为此，正确设置使用光耦合器的系统，将源极和接收电路分别连接在单独的接地和信号连接上。

2. 光耦合器模块连接高压和低压电路： 如果工业控制器输入的信号超过设定的限制，它们可能会受到损坏......但通常需要跟踪功率水平。例如，PLC 的数字输入可能设计为接受 24 Vdc，但需要监控 220 V 交流负载。将 220 Vac 直接连接到 PLC 输入显然会损坏后者。因此，光耦合器模块可能接受220 Vac输入，并在控制器的最大允许输入范围内产生反馈输出电压。

3. 光耦合器模块可保护工业控制器免受瞬态事件的影响：瞬态事件是突然的短时电压或电流突发。尽管瞬变持续时间很短，但瞬变可能会对工业控制器造成重大损坏。在这里，光耦合器模块可以用作工业控制器与任何暴露于浪涌或浪涌电流的现场传感器之间的隔离屏障。

虽然光耦合器模块主要隔离输入信号和电源，但有些设计有助于确保输出信号的质量。例如，一些光耦合器模块可以取代机电信号继电器。后者通常采用2A 或更低的低开关电流工作。这使得具有相似或更高输出电流的光耦合器非常适合替代...但由于没有移动部件，因此设计寿命更长。更具体地说，机电继电器通常工作 100，000 到 1，000，000 个周期......但基于光耦合器的继电器可以使用数十年。此外，光耦合器模块避免了反电动势和信号反弹的机电问题。

基于光耦合器的固态继电器的快速开关使其适用于各种高功率系统输出负载。光耦合器还可以通过隔离来补充工业电源。

高速开关光耦合器还可以保护标准控制和控制功率信号，如脉宽调制或PWM和Modbus RS485，仅举两个例子。这里通过隔离控制器和接收元件来最小化基于耦合的EMI耦合。

使用光耦合器模块进行过零检测

一些基于交流的应用需要过零检测，这是交流信号在零以上和零以下切换时的转换的测量。在这里，过零电路可以让控制器测量波形的频率和相位，以及每次交流信号越过0 V点时在输出端形成的窄脉冲。过零检波器电路的变化比比皆是，但基于光耦合器的检测器电路更胜一筹。光耦合器在交流信号和控制器之间提供噪声隔离屏障...许多光耦合器模块甚至内置零点检测电路，以减少器件数量。

当光耦合器补充电源时，通常在电源的反馈控制环路(与输入侧变压器一起)隔离系统直流/交流、交流/交流、交流/直流或直流/直流转换器。这种布置消除了电源输入和所有输出端子(以及任何连接的现场设备、电机或其他负载)之间的所有直接导电路径，以实现更安全、更高效的设计。在定期在截然不同的电源状态之间切换的设备上，光耦合器可以(甚至高达几十kV/μsec)保护电源免受瞬态共模电压的影响。在高压应用中，光耦合器还可以断开由不同电源引起的接地环路电流，设计中的接地电位差很小，从而消除共模电噪声问题。

如何选择光耦合器模块

这些是决定最合适的光耦合器模块选择的首要参数。

输入电压 — 确定输入信号的最大电压，并选择高于限值的光耦合器模块。

输出电压和电流 — 确保光耦合器的输出能够处理应用所需的电压和电流。一些光耦合器模块具有高电流或高压输出额定值。

响应时间 — 任何用于高速信号传输的光耦合器都需要以微秒 (μsec) 为单位的响应时间。

安装— 可以从头开始构建光耦合器电路，但DIN导轨安装模块易于安装。

审核编辑：汤梓红