光电耦合器的电流传输比参数测试设计

刘 杰

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

光电耦合器作为一种光电隔离的器件,主要由三部分组成，发光器件、光接收器件以及两者之间的耐电压击穿能力强的电介质透明绝缘材料。通常发光器件为红外LED，光接收器件为光控晶闸管或光敏三级管。当有电流流入发光元件LED时会使LED灯发光，光透过透明绝缘材料被光接收器件接收后产生电流输出，从而实现以光为媒介电信号的隔离传输[1]。由于它以光的形式传输直流或交流信号，所以具有较强的抗EMI干扰特性和电流电压隔离能力。因此，光电耦合器被广泛应用于开关电路、级间耦合、电气隔离、远距离信号传输等。本文从变频空调实际应用出发，介绍了光耦主要参数，设计了一种电流传输比的测试方法。

1 光电耦合器参数介绍及在空调器中的应用

光电耦合器具有体积小、无触点、宽工作温度、输入输出电隔离、抗干扰等优点[2]。光电耦合器的发光器件引脚为信号的输入端，光接收器件为信号的输出端，输入端的电信号使得发光器件发光，光接收器件受到光照后在光敏效应下产生电流输出。常见通用型光耦的内部电路如图1所示。其中光电耦合器的重要参数电流传输比（CTR），通常用直流电流传输比来表示,在输出管的工作电压保持恒定时，它等于集电极电流与正向电流的百分比，即。以PC817X2NIP0F型号为例，其电流传输比允许范围为（130～300）%，当CTR较小时需要较大的正向电流才能正常控制占空比，但较大的正向电流会增大光耦功耗,而CTR较大时，当负载发生突变时容易误触发[3]。所以CTR参数的选择在光电耦合器的应用中非常重要，见表1。

表1 光电耦合器PC817X2NIP0F的主要参数

图1 通用型光耦的内部电路

在变频空调器的电控设计中室内外机之间不共地，信号传输时需要隔离。所以就采用了四颗PC817光电耦合器进行信号的隔离。由于使用的PC817电流传输比CRT不高，首先需要用三极管放大输入电流以便提高输出电流能力。

采用串行通讯标准通讯的室内外机，发送、接收的数据传输的最长距离取决于传输的电气性能和传送速率。根据RS232C标准，在源码畸变4 %下，最大传输距离为15.24 m。实际应用中，家用空调器室内外机的通讯连接线较短，一般为（2.5～4）m，而多联机的通讯线长则可能大于15 m。根据串行通讯中标准脉宽的10/16以上才认为有效，因此一定要保证CRT在极小偏差130 %下，接收端单个bit高低电平宽度要在发送端单个bit高低电平宽度的10/16以上。以1 200 bps为例，标准脉宽是833 us，则最小高低电平脉宽是521 us。实验用样机的的通讯速率为1 200 bps，各种工况下测试接收端单个bit的高低电平最小宽度为546 us，符合应用要求。

在变频空调器室内外机通讯传输中为提高通讯质量，采用光电耦合器PC817对内外机的接收、发送进行电气隔离，可有效抑制地线干扰、减少交流阻抗、增大传输电流。其次，在环境温度大于40 ℃的高温工况下光耦CTR会进一步变小，需确保CRT在极小限偏差130 %时通讯不丢包、不畸变。

2 典型电流传输比参数测试方法分析

传统电流传输比测试方法：在光耦的两侧分别接可调电阻、可调直流电源和电流表，改变电阻值和电压大小来改变光耦两侧电流值大小，通过电流表测量光耦两侧的电流值，然后计算光耦的电流传输比，如图2。

图2 现有光耦电流传输比测试电路示意图

这种方法直接测量输入输出电流值确实能够测试光耦的电流传输比，但是存在测试误差、计算误差、测试不够精确等不足；使用两块电流表表头使得测试成本较高；人工调节电压及电阻值而没有保护功能，可能造成测试过程中对芯片的损伤，而且效率较低，不适用于大批量光耦电流传输比测试工作。一般的，电流传输比的测试条件为保持输出电压固定为5 V，正向输入电流调整为5 mA左右。

3 新型电流传输比参数测试设计

对比传统测试方法设计了一种新型的光耦电流传输比智能测试装置，该系统结构如图3所示：主要包括芯片接口、测试电路、采样电路、微控制器、显示模块和供电模块。其中芯片接口为测试装置与待测光电耦合器芯片的接口部分，可依据光电耦合器的封装形式设计贴片或插件接口；测试电路负责改变输入输出电压或电阻值，调整光耦两侧的电流值；采样电路负责精确地检测光耦两侧电流值的大小；微控制器负责数据接收、处理及发送，根据采样模块检测得到的电流值，计算得到光耦的电流传输比，并实时的传送给显示模块，而且能够根据电流值的大小控制供电模块的开关以保护光耦芯片；显示模块负责实时准确的显示光耦的电流传输比；供电模块负责向各模块提供正确的电压，响应主控制器的保护信号。

图3 新型光耦电流传输比测试装置系统结构图

测试及采样电路如图4所示，测试电路由可调电阻R2、R3和稳压电源V1、V2组成，通过调节可调电阻阻值的大小或电源电压，可以改变光耦两侧的输入电流和输出电流；采样电路由采样电阻R1和R4、放大器U1-A和U2-A、分压电阻、滤波RC等组成，输入、输出电流流经采样电阻产生压降，此压降经过分压电阻输入到放大器正、负极，经过放大器产生电压信号并输入到微控制器，微控制器结合采样电阻大小，计算得到电流值。

为避免误操作或电路故障导致输入电流超出正向峰值电流IFP或输出电压超出反向击穿电压损坏被测光耦芯片。顾当检测到输入电流值超出设定阀值时，微控制器产生保护控制信号，控制断开电压源保护光耦芯片。

图4中，光耦的输入电压UIS1和输入电流IIS1满足如下（1）～（4）关系式：

图4 新型光耦电流传输比测试装置电路

式中：

U1-A-—运算放大器U1-A负极的电压；

U1-A+—运算放大器U1-A正极的电压；

U1-Aout—运算放大器U1-A输出端的电压。

光耦的输出电压UIS2和输出电流IIS2满足如下（5）～（8）关系式：

式中：

U2-A-—运算放大器U2-A负极的电压；

U2-A+—运算放大器U2-A正极的电压；

U2-Aout—运算放大器U2-A输出端的电压。

测试电路中可调电阻阻值的调节即可采用手动方式，也可以通过微控制器控制自动调节，如图5所示。无论采用哪种调节方式，微控制器都能够根据电流值大小判断是否产生光耦保护信号。微控制器检测到光耦两侧电流，首先判断光耦性能的好坏，然后调节可调电阻阻值产生不同的输入、输出电流，然后计算电流传输比并通过显示器实时显示。

图5 供电电压可调的测试电路示意图

4 结束语

本文介绍了光电耦合器的主要参数，在空调器室内外机通讯中的应用，分析了电流传输比参数的传统测试方法的缺点，并设计了一种自动化测试方法。此方法提高了光耦电流传输比的测试效率和测试精度，并降低了测试成本，适用于大批量光耦电流传输比测试工作。