浅谈光耦合器在接口组件I/O板中的作用

2024.03.21

王家波　马致琪

摘要：由于航空电子设备工作的环境特殊，电磁、辐射等诸多干扰因素的存在，会给飞机控制带来极大的危害。为了提高系统的稳定性、可靠性和抗干扰的能力，文章建议在悬挂物接口电路中采用光耦隔离器，实践证明，其在实际应用中取得了很好的效果。

关键词：干扰；光耦；隔离

1.接口组件与I/O板

1.1接口组件与I/O板的关系

如图1所示，接口组件是悬挂物控制系统与悬挂物之间的连接单元，悬挂物处理机通过1553B总线将控制信号发给接口组件，接口组件中的CPU接收指令后，将信号传递给I/0板，I/O板负责开关量的输入和输出。输出电路通过继电器模块控制每个悬挂物的状态。I/0板上开关量的输入与输出，需要依靠CPU模块通过内部总线的控制来完成。当需要接受开关量输入信号时，I/O通过CPU输出的控制信号和地址信号进行译码，生成片选信号，选通对应的输入通路，然后CPU板在数据线上读取到输入数值。当需要输出开关量信号时，I/O板通过对CPU输出的控制信号和地址信号进行译码，生成片选信号，选通对应的输出通路，根据数据线的数值产生对应的开关量输出信号。

1.2接口组件中的干扰来源

（A）电源系统引入的干扰：供电电源的不稳定，频率的波动，直接影响悬挂物系统的可靠性与稳定性。

（B）传输电缆引入的干扰：由于机上信号的复杂性，信号传输电缆比较长，易引入干扰信号。

（C）接地系统引入的干扰：接地方式的不当也会引入干扰，直流地与交流地没有分别接地，控制器与被控制设备没有分别接地等方式。

（D）输入输出电路引入的干扰：信号传输过程中的噪音，电磁继电器的线圈产生的电磁干扰等。为了实现输入输出电路上的电气隔离，增强抗干扰能力，近年来光耦合器得到了广泛的应用。

1.3 I/0板电路输入输出线路的抗干扰

光电耦合器是发光器件和光敏器件组合所构成的光结合器件的总称，用它可以执行电一光一电信号的变换。因为光电耦合器在传输过程中是以光作为媒介把输入端的电信号耦合到输出端的。

2.光耦合器的结构与原理

将一种发光器件（发光二极管）和一种光敏感器件（光敏晶体管）紧密地组装在一起，并封装在一个对外隔光的管壳之中，使发光二极管发出的光落到光敏三极管的表面上，如图2-3所示。

然后给它加上一些外围电路，人们将会发现尽管两个器件在电气上是物理分离的，但是发光二极管的导通电流能够控制光敏三极管的导通电流使负载发光二极管能够发光。因为输入（发光二极管）和输出（光敏三极管）器件是通过光耦合的。

I/O板中常使用16管脚TLP621-4型光耦合器件（参数见表1），管壳内部封装有4组相同的发光与受光器件，可以同时传输4路信号。

在光耦合器中，从发光二极管注入电流信号，再从集电极.发射极通路里得到集电极电流信号。发光二极管把外来的电信号通过自身变成规律相同的光信号，是一个将电能变化成光能的电一光器件。光敏三极管把所接受的光信号转变成电信号，是一个光一电器件。在信息传输过程中，是以光为媒介把输入通道与输出通道的电信号耦合在一起。因此，输入通道与输出通道在电性能上是完全隔离的，并目在这两个通道之间完全可以存在成百上千伏的电位差而不会对光耦合器的工作产生不利的影响。这种隔离特性是光耦合器主要的诱人之处。

2.1光耦合器的特点

首先，由于发光器件和受光是密封在同一个管壳中，不会受到外界光的干扰；其次，输出电路的干扰信号无法反馈到输入电路中；第三，发光二极管的动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，而使得能够传送到光耦合器输入输出的干扰信号就变得很小；第四，光耦合器的传输比很小，且二极管只有在通过一定的电流时才能发光，从而可以有效地抑制掉干扰信号。

2.2光耦合器的应用

在悬挂物接口电路中，普遍采用光耦合器作为传输开关量的接口器件，实现输入、输出电路与TTL控制电路之间的电气隔离，信号匹配，抗干扰等。由于输入侧的发光器件是电流驱动器件，抗干扰能力很强，所以，在长线传输中抑制了干扰信号的侵入。

目前，悬挂物处理系统运算控制部分与输入、输出设备之间用光耦合器作接口，大大提高了计算机的可靠性。

在一般自动控制系统中，光耦合器可用在不同电压等级的电路之间传输信号，组成常见电路有开关电路、数字逻辑电路、接口电路、高压稳压电路。一般在模拟电路中应使用线性好的光耦合器，以减小信号波形的失真。

2.3光耦合器的主要性能

（1）電流传输比CTR，说明光电耦合效率最简便的参数就是电流传输比CTR，cTR就光敏三极管上输出电流I。与发光二极管电流I之比，在实际应用中常以百分比的形式表示：

CTR=Ic/If

（2）输入与输出之间的绝缘耐压，输入与输出之间的绝缘耐压值与发光二极管和光敏三极管之间的距离有直接的关系。距离越大，耐压值越高，但电流传输比会降低。

（3）输入与输出之间的分布电容，其值一般比较小，在几个pF以下，主要影响其在高频场合的工作。

（4）响应时间，在传输脉冲信号时，响应时间表征光耦合器快速响应的参数。由于光耦合器的脉冲上升与下降时间比较迟钝，所以在使用中应加其他电路作为补偿。

（5）发光二极管最大输入电流，光敏三极管的集电极到发射极之间的最高直流电压。

3.结语

光耦合器由于具有体积小，使用寿命长，抗干扰性能强，无触点，抗震性能好，输入与输出在电气上完全隔离等特点，使用光耦合器，既达到了传输信号的目的，又起到了抑制干扰，保护电路的作用。因而在悬挂物控制系统的接口组件和其他电子设备中得到广泛的应用。