光耦在智能電能表中的應用研究

高希棟

（北京魯能物業(yè)服務有限責任公司福州分公司工程部，福建福州350012）

0 引言

為了保障用戶的用電安全、電費的科學管理、用電線路的維護，國家電網(wǎng)公司要求儀表行業(yè)研制各種型號的智能電表。為了能使智能電表安全可靠地運行，就要求采用一定的設計方法將強電電路與電表通信接口電路等弱電電路進行有效的隔離，尤其是在本地預付費智能電表的IC卡口遭到惡意破壞和非法插卡及其他信號非法干擾的情況下，如果不能及時有效地識別非法插卡、排除干擾，保護電表中的通信接口電路，將是相當危險的。

光耦即光電耦合器，它是以光信號來傳輸電信號，當輸入端加上一定的電信號導致發(fā)光二級管發(fā)出光線，受光三級管接收光線就會導通產(chǎn)生所需的輸出信號。電信號的傳輸具有單向性，能夠把輸入端的信號與輸出端的信號完全隔離起來，而且光耦具有體積小、壽命長、抗干擾能力強等特點，因此得以廣泛應用。

1 光耦簡介

光電耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，光敏三極管受到光照射，阻值變小，再加上外圍電源電路，產(chǎn)生電流，這就完成了電—光—電的轉換，從而起到了輸入、輸出、隔離的作用。由于光電耦合器輸入、輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光電耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。

2 智能電能表中的通信接口電路

在智能電表的設計中，國網(wǎng)公司出于安全考慮，要求強電端子和弱電的輔助端子進行隔離，因此需要用到光耦作為隔離器件。由于智能電表的使用環(huán)境及特性，在使用光耦時需要考慮以下幾點情況：

2.1 工作溫度

電表的極限工作溫度為-45～80℃。此溫度條件光耦一般都能達到，但需考慮高溫情況下電流傳輸比的相對減小。

2.2 電流傳輸比

電流傳輸比CTR（currenttransferratio）是光耦比較重要的一個參數(shù)，電表中一般使用的電流傳輸比為300%～600%。通俗意義上說，就是電流的放大倍數(shù)。知道了CTR，才能選擇合適的輸入、輸出端匹配電阻。比如圖1中的485通信光耦隔離電路的電阻選擇，智能電表中的通信接口主要采用RS485進行通信，因此可以在控制器與485收發(fā)器中間接入光耦進行隔離，即使通信網(wǎng)絡受到強干擾，最惡劣的情況也只是損壞485收發(fā)器，而不會導致整個電表的損壞。

圖1 485通信光耦隔離電路

對應于圖1中U9兩端的參數(shù)為R82、R84和R85，上述三個因子對光耦輸出信號的上升沿、下降沿均有影響，定量計算上述參數(shù)對信號上升沿、下降沿的影響比較復雜。

光耦兩端參數(shù)的計算（以優(yōu)化后的電阻參數(shù)作為計算依據(jù)）：以接收回路為例，光耦驅動側的電源電壓為5V，光耦正向壓降受溫度影響極限值為1.2V，限流電阻采用2.2kΩ、1%精度[1]，考慮100ppm溫漂影響，對應的最小正向電流為：

根據(jù)光耦技術手冊，在1.69mA時對應的傳輸比CTR為90%，在技術手冊給出的測試條件VCE=5V、IF=5mA時對應的CTR為120%，選取的LTV816-D光耦對應在典型測試條件下的CTR下限值為300%，推算出其在1.69mA的CTR約為：

考慮光耦的溫度特性影響率75%，十年衰減率20%，線性區(qū)減小20%，那么后端最大通過電流約為：

IC=1.69mA×225%×75%×（1-20%）×（1-20%）≈1.83mA

光耦處于深度飽和狀態(tài)下輸出側CE兩端壓降典型值0.2V受溫度影響能下降到0.1V，輸出側工作電壓為5V，電阻采用1%精度，則保證光耦處于飽和狀態(tài)對應的最小限流電阻為：

計算得到的最小限流電阻大于優(yōu)化參數(shù)值R81=1.8kΩ。

2.3 開關速率

光耦的輸出端為光敏三極管，輸入端相當于發(fā)光二極管，光耦輸出端導通與斷開的反應時間和電路中的電流大小及光敏三極管工作在放大區(qū)域還是飽和區(qū)域有關[2-3]。

光耦U9導通時（測量時將R84斷開），R82=2.2kΩ，取VF=，對應的CTR=81.1%，因此IC=CTR×IF=81.1%×1.78mA≈1.44mA，R85=1.8kΩ，485芯片供電電壓為5V，即VCE=5V-IC×R85≈2.41V。根據(jù)上述計算結果得到VCE＞0.7V，即光耦已經(jīng)退出飽和區(qū)，進入放大區(qū)，因此需按照線性區(qū)對應的參數(shù)進行計算：

對應的VCE=5V-CTR×IF×R85≈0.68V，計算得到的VCE明顯處于飽和區(qū)，與選擇的線性區(qū)CTR參數(shù)不符，根據(jù)經(jīng)驗值，上述條件下VCE≈0.9V，即光耦處于放大區(qū)與飽和區(qū)的邊界。

由于實際使用TTL門電路及CMOS門電路（供電電壓為5V條件下）輸入低電平閾值約為1.1V（供電電壓為5V條件下），所以在CTR=300%、70℃及使用優(yōu)化參數(shù)條件下光耦輸出端電平特性可以滿足上述門電路輸入閾值要求。

在通信波特率為2400bps的情況下，實驗測試波形如圖2、圖3所示。

圖2 發(fā)射回路485輸出波形

圖3 接收回路485輸出波形

3 結語

本文通過分析光耦參數(shù)和相關理論計算得出光耦電路的相關參數(shù)，能夠使485通信電路在全溫度范圍內(nèi)運行更加穩(wěn)定、可靠，對RS485通信電路的設計和選擇不同品牌的光耦型號具有指導意義。

［參考文獻］

[1]SEDRAA，SMITHK.微電子電路（英文影印版）[M].4版.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]SANSENWMC.模擬集成電路設計精粹[M].陳瑩梅，譯.北京：清華大學出版社，2008.

[3]劉光祜，饒妮妮.模擬電路基礎[M].成都：電子科技大學出版社，2003.