變頻器電路中的光耦器件應(yīng)用研究

一、電路中為什么要使用光耦器件?

　　電氣隔離的要求。A與B電路之間，要進(jìn)行信號(hào)的傳輸，但兩電路之間由于供電級(jí)別過于懸殊，一路為數(shù)百伏，另一路為僅為幾伏;兩種差異巨大的供電系統(tǒng)，無法將電源共用;

　　A電路與強(qiáng)電有聯(lián)系，人體接觸有觸電危險(xiǎn)，需予以隔離。而B線路板為人體經(jīng)常接觸的部分，也不應(yīng)該將危險(xiǎn)高電壓混入到一起。兩者之間，既要完成信號(hào)傳輸，又必須進(jìn)行電氣隔離;

　　運(yùn)放電路等高阻抗型器件的采用，和電路對(duì)模擬的微弱的電壓信號(hào)的傳輸，使得對(duì)電路的抗干擾處理成為一件比較麻煩的事情——從各個(gè)途徑混入的噪聲干擾，有可能反客為主，將有用信號(hào)“淹沒”掉;

　　除了考慮人體接觸的安全，又必須考慮到電路器件的安全，當(dāng)光電耦合器件輸入側(cè)受到強(qiáng)電壓(場(chǎng))沖擊損壞時(shí)，因光耦的隔離作用，輸出側(cè)電路卻能安全無恙。

　　以上四個(gè)方面的原因，促成了光耦器件的研制、開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用。光耦的基本作用，是將輸入、輸出側(cè)電路進(jìn)行有效的電氣上的隔離;能以光形式傳輸信號(hào);有較好的抗干擾效果;輸出側(cè)電路能在一定程度上得以避免強(qiáng)電壓的引入和沖擊。

　　二、光電耦合器件的一般屬性：

　　1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：輸入側(cè)一般采用發(fā)光二極管，輸出側(cè)采用光敏晶體管、集成電路等多種形式，對(duì)信號(hào)實(shí)施電-光-電的轉(zhuǎn)換與傳輸。

　　2、輸入、輸出側(cè)之間有光的傳輸，而無電的直接聯(lián)系。輸入信號(hào)的有無和強(qiáng)弱控制了發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度，而輸出側(cè)接受光信號(hào)，據(jù)感光強(qiáng)度，輸出電壓或電流信號(hào)。

　　3、輸入、輸出側(cè)有較高的電氣隔離度，隔離電壓一般達(dá)2000V以上。能對(duì)交、直流信號(hào)進(jìn)行傳輸，輸出側(cè)有一定的電流輸出能力，有的可直接拖動(dòng)小型繼電器。特殊型光耦器件能對(duì)毫伏，甚至微伏級(jí)交、直流信號(hào)進(jìn)行線性傳輸。

　　4、因光耦的結(jié)構(gòu)特性，輸入、輸出側(cè)需要相互隔離的獨(dú)立供電電源，即需兩路無“共地”點(diǎn)的供電電源。下述一、二類光耦輸入側(cè)由信號(hào)電壓提供了輸入電流通路，但實(shí)質(zhì)上輸入信號(hào)回路，也是有一個(gè)供電支路的;而線性光耦，則輸入側(cè)與輸出側(cè)一樣，是直接接有兩種相隔離的供電電源的。

　　三、在變頻器電路中，經(jīng)常用到的光電耦合器件，有三種類型：

　　1、一種為三極管型光電耦合器，如PC816、PC817、4N35等，常用于開關(guān)電源電路的輸出電壓采樣和誤差電壓放大電路，也應(yīng)用于變頻器控制端子的數(shù)字信號(hào)輸入回路。結(jié)構(gòu)最為簡單，輸入側(cè)由一只發(fā)光二極管，輸出側(cè)由一只光敏三極管構(gòu)成，主要用于對(duì)開關(guān)量信號(hào)的隔離與傳輸;

　　2、第二種為集成電路型光電耦合器，如6N137、HCPL2601等，輸入側(cè)發(fā)光管采用了延遲效應(yīng)低微的新型發(fā)光材料，輸出側(cè)為門電路和肖基特晶體管構(gòu)成，使工作性能大為提高。其頻率響應(yīng)速度比三極管型光電耦合器大為提高，在變頻器的故障檢測(cè)電路和開關(guān)電源電路中也有應(yīng)用;

　　3、第三種為線性光電耦合器，如A7840。結(jié)構(gòu)與性能與前兩種光耦器件大有不同。在電路中主要用于對(duì)mV級(jí)微弱的模擬信號(hào)進(jìn)行線性傳輸，在變頻器電路中，往往用于輸出電流的采樣與放大處理、主回路直流電壓的采樣與放大處理。

　　下圖為三類光耦器件的引腳、功能原理圖：

　　三種光耦合器電路圖

　　四、第一類光耦器件的測(cè)量與在線檢測(cè)：

　　第一類型的光電耦合器，輸入端工作壓降約為1.2V，輸入最大電流50mA，典型應(yīng)用值為10 mA;輸出最大電流1A左右，因而可直接驅(qū)動(dòng)小型繼電器，輸出飽合壓降小于0.4V?？捎糜趲资甼Hz較低頻率信號(hào)和直流信號(hào)的傳輸。對(duì)輸入電壓/電流有極性要求。當(dāng)形成正向電流通路時(shí)，輸出側(cè)兩引腳呈現(xiàn)通路狀態(tài)，正向電流小于一定值或承受一定反向電壓時(shí)，輸出側(cè)兩引腳之間為開路狀態(tài)。

　　測(cè)量方法：

　　數(shù)字表二極管檔，測(cè)量輸入側(cè)正向壓降為1.2V，反向無窮大。輸出側(cè)正、反壓降或電阻值均接近無窮大;

　　指針表的x10k電阻檔，測(cè)其1、2腳，有明顯的正、反電阻差異，正向電阻約為幾十kΩ，反向電阻無窮大;3、4腳正、反向電阻無窮大;

　　兩表測(cè)量法。用指針式萬用表的x10k電阻檔(能提供15V 或9V、幾十μA的電流輸出)，正向接通1、2腳(黑筆搭1腳)，用另一表的電阻檔用x1k測(cè)量3、4腳的電阻值，當(dāng)1、2腳表筆接入時(shí)，3、4腳之間呈現(xiàn)20kΩ左右的電阻值，脫開1、2腳的表筆，3、4腳間電阻為無窮大。

　　可用一個(gè)直流電源串入電阻，將輸入電流限制在10mA以內(nèi)。輸入電路接通時(shí)，3、4腳電阻為通路狀態(tài)，輸入電路開路時(shí)，3、4腳電阻值無窮大。

　　3、4種測(cè)量方法比較準(zhǔn)確，如用同型號(hào)光耦器件相比較，甚至可檢測(cè)出失效器件(如輸出側(cè)電阻過大)。

　　上述測(cè)量是新器件裝機(jī)前的必要過程。對(duì)上線不便測(cè)量的情況下，必要時(shí)也可將器件從電路中拆下，離線測(cè)量，進(jìn)一步判斷器件的好壞。在實(shí)際檢修中，離線電阻測(cè)量不是很便利，上電檢測(cè)則較為方便和準(zhǔn)確。要采取措施，將輸入側(cè)電路變動(dòng)一下，根據(jù)輸出側(cè)產(chǎn)生的相應(yīng)的變化(或無變化)，測(cè)量判斷該器件的好壞。即打破故障電路中的“平衡狀態(tài)”，使之出現(xiàn)“暫態(tài)失衡”，從而將故障原因暴露出來。光耦器件的輸入、輸出側(cè)在電路中串有限流電阻，在上電檢測(cè)中，可用減小(并聯(lián))電阻和加大電阻的方法(將其開路)等方法，配合輸出側(cè)的電壓檢測(cè)，判斷光耦器件的好壞。部分電路中，甚至可用直接短接或開路輸入側(cè)、輸出側(cè)，來檢測(cè)和觀察電路的動(dòng)態(tài)變化，利于判斷故障區(qū)域和檢修工作的開展。

　　測(cè)量時(shí)的注意事項(xiàng)：光耦器件的一側(cè)可能與“強(qiáng)電”有直接聯(lián)系，觸及會(huì)有觸電危險(xiǎn)，建議維修過程中為機(jī)器提供隔離電源!

　　下圖為常見三極管光耦器件的應(yīng)用電路圖。

　　光電耦合器在線檢測(cè)示意圖

　　上圖中的(1)電路，為變頻器控制端子電路的數(shù)字信號(hào)輸入電路，當(dāng)正轉(zhuǎn)端子FWD與公共端子COM短接時(shí)，PC817的1、2腳之間的電壓由0V變?yōu)?.2V，4腳電壓由5V變?yōu)?V。同理，當(dāng)控制端子呈開路狀態(tài)時(shí)，PC817的1、2腳之間電壓為0V，而3、4腳之間電壓為5V。圖(1)電路可以看出光耦器件的各腳電壓值，故障或正常狀態(tài)測(cè)量輸入、輸出腳電壓即可得出判斷。

　　上圖(2)電路，測(cè)量1、2之間為0.7V(交流信號(hào)平均值)，3、4腳之間為3V ，說明光電耦合器有了輸入信號(hào)，但光耦器件本身是否正常?用金屬鑷子短接PC817的1、2腳，測(cè)量4腳的電壓由原3V上升為5V(或有明顯上升)，說明光耦器件是好的。若電壓不變，說明光耦損壞。

　　五、第二類光耦器件的測(cè)量與在線檢測(cè)：

　　第二種類型的光電耦合器(6N137)，輸入端工作壓降約為1.5V左右，但輸入、輸出最大電流僅為mA級(jí)，只起到對(duì)較高頻率信號(hào)的傳輸作用，電路本身不具備電流驅(qū)動(dòng)能力，可用于對(duì)MHz級(jí)信號(hào)進(jìn)行有效的傳輸。同第一類光耦器件一樣，對(duì)輸入電壓/電流有極性要求。當(dāng)形成正向電流通路時(shí)，輸出側(cè)兩引腳呈現(xiàn)通路狀態(tài)，正向電流小于一定值或承受一定反向電壓時(shí)，輸出側(cè)兩引腳之間為開路狀態(tài)。

　　此種類型光耦器件的構(gòu)成電路，同第一類光耦器件構(gòu)成的電路形式相類似，但電路傳輸?shù)男盘?hào)頻率較高。其測(cè)量與檢查方法也基本上是相似的。如果說第一類光耦為低速和普通光耦，那么第二類光耦合器，可稱之為高速光耦，二者的區(qū)別，只是對(duì)信號(hào)響應(yīng)速度的不同，在電路形式上則是相同的。

　　在線測(cè)量，1、可用短接或開路2、3輸入腳，同時(shí)測(cè)量輸出6、5腳的電壓變化; 2、減小或加大輸入腳外接電阻，測(cè)量輸出腳電壓有無相應(yīng)變化;3、從+5V供電或其它供電串限流電阻引入到輸入腳，檢測(cè)輸出腳電壓有無相應(yīng)變化。來判斷器件是否正常。

　　六、第三類光耦器件——線性光耦：

　　線性光耦，是光電耦合器中一種比較特殊的器件了。

　　1、線性光耦的特點(diǎn)：

　　(1) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：其輸入、輸出側(cè)電路，不再像第一類光耦器件一樣，只是

　　二極管/三極管的簡單電路，而是內(nèi)含放大器，并有各自獨(dú)立的供電回路;沒有信號(hào)輸入極性要求，只將輸入信號(hào)幅度進(jìn)行線性放大。

　　(2)輸入側(cè)信號(hào)輸入端，不再呈現(xiàn)發(fā)光二極管的正、反向特性，或許我們完全可以將兩個(gè)信號(hào)輸入端看作是運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端子——輸入阻抗非常高，不再吸取信號(hào)源電流;能用作微弱電壓信號(hào)的輸入和放大;能對(duì)差分信號(hào)有極高的放大能力，對(duì)共模信號(hào)有一定的抑制能力;

　　(3)輸出側(cè)電路，為差分信號(hào)輸出模式，便于與后級(jí)放大器連接，將信號(hào)作進(jìn)一步處理。

　　2、線性光耦器件A7840的引腳功能圖：

　　A7840(HCPL-7840)功能方框圖

　　A7840(HCPL-7840)的工作參數(shù)：輸入側(cè)、輸出側(cè)的供電典型值為5V，輸入電阻480kΩ，最大輸入電壓320mV;差分信號(hào)輸出方式。內(nèi)部輸入電路有放大作用，且為高阻抗輸入，能不失真?zhèn)鬏攎V級(jí)交、直流信號(hào)，輸出信號(hào)作為后級(jí)運(yùn)算放大器差分輸入信號(hào)。具有1000倍左右的電壓放大倍數(shù)。典型應(yīng)用，常與后級(jí)運(yùn)算放大器配合，對(duì)微弱(交、直)電壓信號(hào)進(jìn)行放大和處理。

　　2、3腳為信號(hào)輸入腳，1、4腳為輸入側(cè)供電端;6、7腳為差分信號(hào)輸出腳，8、5腳為輸出側(cè)供電端。

　　在線檢測(cè)方法：可將內(nèi)部電路看作是一只“整體的運(yùn)算放大器”，2、3腳為同相、反相輸入端，7、6腳為信號(hào)輸出端。當(dāng)短接2、3腳(使輸入信號(hào)為零)時(shí)，6、7腳之間輸出電壓也為零。當(dāng)2、3腳有mV級(jí)電壓輸入時(shí)，6、7腳之間有“放大了的”比例電壓輸出。3、由A7840構(gòu)成的電流信號(hào)檢測(cè)電路：

　　英威騰G9/P9小功率變頻器的輸出電流采樣電路

　　部分小功率變頻器機(jī)型，對(duì)輸出電流的采樣，省掉了電流互感器。在U、V輸出電路中直接串接了mΩ級(jí)的電流采樣電阻，將輸出電流信號(hào)由采樣電阻轉(zhuǎn)化為mV級(jí)電壓信號(hào)，將此電阻上的電壓信號(hào)經(jīng)R1、R2引入到U3、U4(A7840)R的信號(hào)輸入端，由U3、U4進(jìn)行光電隔離和線性傳輸，再經(jīng)U5(TL082)進(jìn)行放大(阻抗變換)后，送后級(jí)電流檢測(cè)與保護(hù)電路進(jìn)一步處理，再送入CPU。U4、U3輸入側(cè)的供電是由驅(qū)動(dòng)電路供電(隔離電源)再經(jīng)U1、U2(L7805穩(wěn)壓器)穩(wěn)壓成5V來提供的，此電源必須是與控制電路相隔離的。U4、U5的輸出側(cè)供電，則是由CPU主板供電的+5V電源提供的。A7840將輸入百mV級(jí)電壓信號(hào)放大輸出為V級(jí)表征著輸出電流大小的差分電壓信號(hào)，再經(jīng)后級(jí)U5運(yùn)算放大器反相輸出正電壓信號(hào)，送后后級(jí)電流信號(hào)處理電路。分別被處理成一定幅度的模擬信號(hào)送入CPU，用作輸出電流顯示及輸出控制;被處理成開關(guān)量信號(hào)，用于故障報(bào)警，停機(jī)保護(hù)等。

　　此兩路電流檢測(cè)信號(hào)輸出，在線路板上標(biāo)注有IU、IV字樣，是為檢測(cè)點(diǎn)。

　　4、由A7840構(gòu)成的直流回路電壓信號(hào)檢測(cè)電路：

　　阿爾法ALPHA2000 18.5kW變頻器直流回路電壓檢測(cè)電路

　　阿爾法ALPHA2000 18.5kW變頻器直流回路電壓檢測(cè)電路，電壓采樣信號(hào)直接取自直流回路的P、N端的530V直流電壓，經(jīng)電阻降壓、分壓網(wǎng)絡(luò)，將分壓所得mV級(jí)電壓信號(hào)，加到小信號(hào)處理光電耦合器A7840(U14)的2、3輸入腳上，經(jīng)U14實(shí)施強(qiáng)、弱電隔離后，形成差分信號(hào)輸入到LF353運(yùn)算放大器的2、3腳，本級(jí)電路接成電壓跟隨器，輸出信號(hào)由電位器中心頭(線路板上廠家標(biāo)注測(cè)試點(diǎn)VPN)輸出至CPU主板與電源/驅(qū)動(dòng)板的排線端子CNN1的8腳。在三相輸入電壓為380V時(shí)，8腳采樣直流電壓為3V。

　　A7840的輸入側(cè)供電，是由開關(guān)變壓器的一個(gè)獨(dú)立繞組的交流電壓，經(jīng)D41、C46等整流濾波，由集成穩(wěn)壓器78L05穩(wěn)壓成5V提供的;輸出側(cè)供電，則采用CPU主板供電電源+5V。

　　直流回路電壓檢測(cè)信號(hào)由排線端子CNN1、CNM的8腳進(jìn)入CPU主板，一路經(jīng)R174直接輸入CPU的53腳，此路信號(hào)為模擬電壓信號(hào)，其作用：1、供操作面板顯示直流電壓值，有的變頻器機(jī)型經(jīng)程序換算后顯示輸入交流電壓值;2、有的機(jī)型用于對(duì)輸出U/F比的控制，使輸出電壓值比例于輸入電壓值;3、少數(shù)機(jī)型用于過、欠壓保護(hù)的采樣參考。

　　另一路經(jīng)R155送入LF393開路集電極輸出運(yùn)放構(gòu)成的電壓比較器的反相輸入端，該路輸出信號(hào)與過流(OL)、OC、OH等信號(hào)一起混合為一路“故障匯總信號(hào)”，經(jīng)CPU外圍電路進(jìn)一步處理，送入CPU引腳，作停機(jī)保護(hù)和切斷驅(qū)動(dòng)脈沖的控制。LF393的同相輸入端可看作為“可編程基準(zhǔn)電壓端”，其基準(zhǔn)電壓的幅值由CPU的42、51腳輸出電壓控制，在起動(dòng)和運(yùn)行過程中分別給出不同的基準(zhǔn)電壓值，與輸入電壓檢測(cè)信號(hào)相比較。變頻器的不同工作過程，則保護(hù)動(dòng)作閥值也有所不同。

　　當(dāng)電壓檢測(cè)電路本身發(fā)生故障時(shí)，其檢修方法如下：

　　a、變頻器上電后，即報(bào)出過壓或欠壓故障，見上圖電壓檢測(cè)電路。測(cè)量CN1的8端子電壓，正常值應(yīng)為3V左右。測(cè)量此點(diǎn)電壓值偏高或偏低，說明電壓檢測(cè)電路有故障。首先檢測(cè)A7840的輸入側(cè)、輸出側(cè)的5V供電是否正常，LF353的正負(fù)15V供電是否正常，若不正常，修復(fù)相關(guān)電源供電支路。若正常，進(jìn)行下一步檢修;

　　b、測(cè)量A7840的2、3腳之間有100mV以上輸入電壓，用金屬尖鑷子短接A7840的2、3腳，測(cè)量LF353的輸出腳1腳電壓有明顯下降，說明以上電壓信號(hào)傳輸環(huán)節(jié)均正常，故障在LF353外接電位器不良或失調(diào)。更換并重新調(diào)整。調(diào)整變頻器的相關(guān)參數(shù)，令操作顯示面板顯示直流回路的電壓值，當(dāng)輸入三相電壓為380V時(shí)，調(diào)整該電位器，使直流電壓顯示值為530V，即可;

　　c、用金屬尖鑷子短接A7840的2、3腳，測(cè)量LF353的1腳電壓無變化，進(jìn)一步檢測(cè)LF353的輸入腳電壓(正常值為3左右，鑷子短接A7840輸入腳時(shí)變?yōu)镺V)值無變化，A7840或外電路元件損壞;LF353輸入腳電壓值為正常值， LF353損壞，更換LF353。

　　d、用鑷子短接A7840的2、3腳時(shí)，LF353輸入電壓值有變化，但其值偏低，如從1V變化為0V，檢查A7840外圍元件正常，故障為A7840低效，更換A7840。