光电隔离电路优化设计

埋弧焊装备包括了供电与控制两部分，前者属于大功率强电，后者属于弱电。在双电弧焊接过程中，当两台电源和行走机构在大电流、强电弧等干扰状态下工作时，干扰信号可通过地线或电源线进入控制电路并产生对控制电路的干扰。因此，双电弧埋弧焊装备的给定信号以及电弧电流、电压反馈信号都必须采用隔离传输^[14，15]。

1.数字信号光电隔离

数字信号的传递常采用隔离措施，采用光电隔离器件对信号进行不共地传输，如图3-9所示。由于光隔离器件存在非线性，对数字信号的传递不存在问题。

图3-9 数字信号光电隔离

2.模拟信号光电隔离

由于光隔离器件存在非线性，这样模拟信号传输时就不可避免存在非线性失真的问题^[16，17]，但模拟信号传递时，需要起隔离作用，又要保证严格的线性。为了实现多路计算机模拟给定及反馈信号的隔离传输，一种高精度的10V线性隔离放大电路如图3-10所示，选用12V，1W小型封装DC/DC隔离直流电源模块，隔离电路板还采用了价格低廉的LM324运放集成电路和光耦TLP521-2，实现了10V线性模拟信号的隔离传输。

设光耦的输入电流为I_f，由器件手册可知I_f的典型值为16～20mA，当I_f=10mA时，发光二极管的压降U_f=1.0～1.3V，设光耦的电流传递系数为g，集电极电流为I_c=gI_f，空载时输出电压为

U_o=I_cR_e=gI_fR_e （3-1）

限流电阻R_f为

图3-10 模拟信号光电隔离

根据输出电压U_o的范围和技术手册给出的参数，决定R_f、R_e，如图3-10所示，取两电源电压为12V，R_f、R_e分别取100Ω、15kΩ（即图中R₃和R₅），R₅实际为30kΩ可调电阻。(www.xing528.com)

利用了TLP521-2中的两个发光二极管串联，使流过两个发光二极管的电流一样，形成差分负反馈，补偿光耦的非线性电流传输系数。虽然光耦是非线性的，但两光耦集成在一个芯片内，可保证其特性基本一致，非线性程度相同，故产生相互抵消用。设图3-10中两个光耦的电流传输系数分别为g₁、g₂，流过两个光耦发光二极管的电流为I，两个运放为理想运放，利用其虚短、虚断、输入阻抗无穷大的概念，导出I、I₁和I₂的关系：

I₁=g₁I；I₂=g₂I

由图3-10可导出下列表达式：

U_i=I₁R₃=g₁IR₃ （3-3）

U_o=I₂R₅=g₂IR₅ （3-4）

假设设计要求为输出、输入电压相等，即U_o/U_i=1（可根据需要改变比值），得g₁IR₃=g₂IR₅，即

g₁R₃=g₂R₅ （3-5）

C为常数，因为两个光耦集成在一个芯片上，特性基本一致，使它们的电流传输系数之比为常数（通常接近于1），即g₁/g₂=C，这时通过调整R₅，使R₅/R₃=C，则式（3-5）和式（3-6）就相等，U_o=U_i就成立了。实际测试结果表明，在电路调整后，R₅、R₃均固定了，但二者之比为常数C，满足式（3-6），只要式（3-6）成立，就能得出U_o=U_i的结论。

通过对输入端给定2V、6V、8V调节图3-10中可调电阻R₅，使输出电压最接近输入电压2V、6V、8V，然后固定R₅，再改变输入电压逐点测试输入电压与输出电压的关系，测试结果如图3-11所示。图中所示测试结果表明，该电路具有精度高、失真小，可以满足埋弧焊过程计算机实时监控过程模拟信号给定及监测。

图3-11 输入、输出电压的关系