前两天,开始我们乐创客第一块开发板的设计,当我在进行电路设计时,我发现一些电路设计软件的使用,一些电路设计的方案,一些创新的想法,一些元器件的选型这些都是可以记录成文,并且分享出来一起讨论的。因此从本节文字开始,正式开启电路【电路设计笔记】的更新。当然,这里的部分电路是我用了非常多年的成熟电路,一些电路是我临时创新想出的未经过验证的电路,这些没有被验证的电路我会指出来,大家阅读时如果发现有问题也希望不吝指出。


前几天发布了一篇关于使用光耦元器件来实现单片机 IO 口隔离的文章,那篇文章里只是简单地介绍了选用光耦时的注意事项以及使用光耦搭建一个简单的单片机输出电路,本文继续来介绍一些关于光耦更多的用法。以下内容是书本上绝对没有的知识,是我自身做安规时和认证公司 “斗智斗勇”的惨痛经验总结。

 

电气间隙与爬电距离

而我们做安规的时候选用光耦,法规上也会特定对光耦的绝缘等级进行评估,这个评估的最好反应就是光耦的爬电距离和电气间隙。我们使用光耦的目的,其实就是隔离两个用电部分的电气关系,使其处于两个独立的电气系统中,从而实现隔离的目的,可以说隔离的最终本质其实是使用光耦的电光 - 光电转换原理使两个电气部分的控制端处于一种绝缘的状态,但是又能达到控制的目的。而所有物体的绝缘都只是一个相对量而已,只要两个电气部分的电压差过大,那么再强的绝缘也会被击穿,这就好比是闪电击穿空气到达地面一样。爬电距离是沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径。即在不同的使用情况下,由于导体周围的绝缘材料被电极化,导致绝缘材料呈现带电现象。UL、CSA 和 VDE 安全标准强调了爬电距离的安全要求,这是为了防止器件间或器件和地之间打火从而威胁到人身安全。电气间隙是在两个导电零部件之间或导电部件与设备防护界(如接 PE(保护地)外壳)之间测得的最小距离。

 

图 1 爬电距离和电气间隙


这也就是说,我们如果这个光耦是选用在一个隔离系统中时,在今后做安规认证时,一定要事先将光耦的爬电距离和电气间隙这两个参数确定下来。比如医疗器械国家标准 GB9706.1(其实是借鉴了国际标准 IEC60601-1)里面就规定了某个测试条件下,两个用电部分的电气间隙和绝缘等级。

 

图 2 绝缘类型和爬电距离


而在我们一些应用中,比如开关电源,这种适配器的交流电压侧和输出电压侧是完全隔离的,其中直流电压的输出被称为“二次侧”,交流电压的输入(网电源的输入)被称为“一次侧”,一次侧和二次侧是完全隔离的,但是如何将一次侧的能量传给二次侧呢?很简单,就是高频变压器,而二次侧的输出电压再通过光耦直接反馈给一次侧进行环路控制。

 

 

图 3反激电源拓扑


面对这样的电路,这个光耦的安规特性在这里尤为重要,主要体现在要抗住一次侧例如浪涌或者高压的涌入,保护二次侧的用电器和人。因此安规对这个光耦的爬电距离以及光耦之间的电气间隙有了很高的要求。光耦的电气间隙很好理解,就是其两个引脚之间的距离,这个直接受光耦封装的影响。而光耦的爬电距离计算起来就比较麻烦,最好的办法就是实际去测量,但是封装对其也是有影响的。这也就是为什么市面上的光耦发展了这么久,它们还是这么大的原因。这个以后在选用光耦的时候,一定要去重点了解你在行业安规要求的爬电距离是多少。为什么我一直强调爬电距离呢?因为电气间隙非常好办,直接开槽就可以解决,但是爬电距离是实实在在光耦本身的物理特性所决定的。有些行业特别注重这一特性,比如医疗行业,因此还有特别针对医疗行业生产的特殊封装的光耦。

 

图 4 光耦 OPI1264


除了考虑这些物理距离以外,根据你做认证的要求,还需要注意光耦自身的绝缘电压。如下 PC817 的参数。

 

图 5 光耦的绝缘电压


比如这个光耦绝缘电压 5000V,那么医疗认证 IEC60601-1 规定 MOOP 时候的绝缘电压要达到 6000V,那么这个光耦显然就无法被使用在设计中了。

 

光耦的输出电流

还有一点可能最被大家忽略的是,选用光耦时一定要注意它的输出电流。因为之前我们在用 TLP521 驱动一些中间继电器时,由于中间继电器需要很大的驱动电流,因此有时候根本打不开,后来更换了输出电流较大的 TLP627 才解决了这个问题。所以大家选用时要注意,特别对于做工控和自动化的小伙伴们,中间继电器可以你们的最爱啊。

 

图 6光耦驱动继电器



过零光耦

在我们平时控制的对象中,控制交流电压时,会用到一种叫做“双向可控硅”的元器件。比如,控制某个交流电热丝,为了达到绝缘的目的,会使用光耦加双向可控硅的方式来控制。但是双向可控硅是一种非常神奇的器件,它能很轻松地被打开,但是想要关断它却很麻烦,需要可控硅里面流经的电流为 0 时才能正常关闭。因此,有一种特殊的光耦叫做 MOC-3061 可以实现这个功能,它是一种“过零光耦”,即哪怕提前给光耦一个关闭双向可控硅的信号,这个光耦会延迟直到双向可控硅里面的电流为 0 时,再去执行关闭的动作。

 

图 7MOC-3061



光耦的选用步骤

1、确定设计产品的定位,以及需要达到的绝缘电压等级;2、确定信号输出的类型,低频信号还是高频信号,选用能满足信号响应的光耦;3、确认光耦的爬电距离,以选用相应封装的光耦。


光耦电路信号输出:

 

图 8隔离信号输出


信号输入:

 

图 9隔离信号输入