CN104038203A - 光耦通信加速系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光耦通信加速系统，包括与通信设备数据接收端连接的第一光耦，所述第一光耦连接有电压反馈电路和与所述电压反馈电路连接的电流维持电路。所述电压反馈电路使第一光耦的输出电压摆幅仅为0.8~1.0V，使得第一光耦内的光敏三极管不会进入饱和状态，避免了过长时间的饱和电荷泄放的问题；所述电流维持电路，具有快速启动的特点，使得第一光耦在快速导通以后，只要光电流输出开始降低就能使逻辑输出晶体管立即截止，并不需要等待光电流完全泄放完毕。所述电压反馈电路在第一光耦的导通的过程中起着关键作用，所述电流维持电路在第一光耦的截止过程中起着重要的作用，二者的结合大大提高了通信速率、降低了电平跳变延迟。

Description

光耦通信加速系统

技术领域

本发明涉及一种通信隔离技术，尤其涉及一种光耦通信加速系统。

背景技术

现有隔离通信技术主要分三种：光耦隔离、变压器隔离和电容隔离通信技术。其中，电容隔离通信技术成本很低，但不能隔离快速变化的干扰信号，只能用于极少的特定领域；变压器隔离通信技术只能通过较高频率的信号，对于长脉冲需要特别调制，成本很高；光耦隔离通信技术具备非常好的隔离效果，完全不受电磁干扰，是一种最成熟、使用最广泛的隔离技术。

通常的光耦通信隔离IC分三类：第一类，简单的LED和光敏三极管的模拟光耦；第二类，带基极引出极的LED、光电二极管和放大晶体管的高速光耦；第三类，内置光电流检测器和信号处理电路的逻辑型光耦。对于高速应用，只能选用后两种价格比较高的光耦器件，特别是逻辑型光耦，虽然信号特性很好，但是应用不是很多，价格很高，难以在成本敏感型产品中得到应用。模拟光耦应用面广、价格低廉，但是用于数据通信时，时间延迟严重，通信速率不到10kbps。如果能将模拟光耦的通信速率提高，就可以在低成本设备中使用光耦隔离技术了。但是，即使将负载电阻减低很多，模拟光耦的延迟特性仍然使高速通信无法完成，并且电流的传输比变化范围宽，同时电池供电等部分应用的电源电压的大幅度变化，使得接收到的光电流变化更大，使得此类光耦电路无法适应需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种光耦通信加速系统，即使使用廉价的低速光耦，也可以实现可靠、高速的数据通信。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种光耦通信加速系统，包括与通信设备数据接收端连接的第一光耦，所述第一光耦连接有电压反馈电路和与所述电压反馈电路连接的电流维持电路。

对于上述技术方案的改进，所述电压反馈电路包括第三三极管、第四三极管、第五三极管、第四电阻、第五电阻和第七电阻；所述第三三极管的发射极和第四三极管的集电极都与第一光耦连接，所述第五三极管的基极通过与之串联的第五电阻与所述第三三极管的发射极和所述第四三极管的集电极连接，并且所述第五三极管的集电极通过与之串联的第四电阻与所述第一光耦的电源端连接；所述第七电阻的两端分别与所述第五三极管的基极和发射极连接。

对于上述技术方案的进一步改进，所述电流维持电路包括第二电容、第六电阻、第八电阻和第九电阻；所述第二电容通过第六电阻与所述第三三极管的集电极相连；所述第八电阻与所述第二电容并联；所述第九电阻一端与所述第二电容连接，另一端与所述第四三极管的发射极连接。

对于上述技术方案的进一步改进，所述光耦通信加速系统还包括与通信设备数据发送端连接的第二光耦，所述第二光耦连接有互锁恒流源电路，所述互锁恒流源电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一三极管、第二三极管、二极管和第一电容；所述第一三极管的集电极与所述第二光耦连接；所述第一电阻的一端和所述第二三极管的基极都连接于所述第一三极管的发射极，并且所述第二三极管的发射极连接于所述第一电阻的另一端，所述第二三极管的集电极连接于所述第一三极管的基极；所述二极管与所述第二电阻和第三电阻串联，并且所述二极管的正极与第二电阻的连接，所述二极管的负极与所述第一电阻的一端相连，所述第三电阻与所述第二三极管的集电极相连。

对于上述技术方案的进一步改进，所述第一光耦和第二光耦采用的芯片型号都是PC817。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

（1）通信速率高；

（2）传输稳定性强。

附图说明

图1是本发明所述的光耦通信加速系统中的电压反馈电路和电流维持电路的电路原理图；

图2是本发明所述的光耦通信加速系统中的互锁恒流源电路的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明所述的光耦通信加速系统，包括与通信设备数据接收端连接的第一光耦1，图中对应的符号位U1，采用的是价格低廉的普通光耦PC9817，其由发光二极管和光敏三极管组成，当然所述第一光耦1也可以使用普通的TLP521光耦，同样属于价格低廉的光耦。

所述第一光耦1连接有电压反馈电路2和与所述电压反馈电路2连接的电流维持电路3。

所述电压反馈电路2包括第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第四电阻R4、第五电阻R5和第七电阻R7；所述第三三极管Q3的发射极和第四三极管Q4的集电极都与第一光耦1连接，所述第五三极管Q5的基极通过与之串联的第五电阻R5与所述第三三极管Q3的发射极和所述第四三极管Q4的集电极连接，并且所述第五三极管Q5的集电极通过与之串联的第四电阻R4与所述第一光耦1的电源端连接；所述第七电阻R7的两端分别与所述第五三极管Q5的基极和发射极连接。

工作过程中，当第一光耦1内的发光二极管收到有效电脉冲后，开始发光，所述第一光耦1内的光敏三极管获得光后产生电流而导通，并且电流迅速增大。在所述第一光耦1导通以前，第三三极管Q3、第四三极管Q4和第五三极管Q5均无基极电流，处于截止状态，所述Rx_in为高低电平跳变的数字信号；当第一光耦1的光敏三极管输出的电流通过第五电阻R5，在第七电阻R7上的压降达到第五三极管Q5的Vbe5导通电压时，第五三极管Q5才导通，并且将Rx_out的电位拉低，从而使得输出有效低电平脉冲。但此时由于第四电阻R4和第三三极管Q3的基极连接，将第三三极管Q3导通；由于第三三极管Q3的集电极输出电流通过第六电阻R6，并且对第二电容C2进行充电、在第八电阻R8上分压，经过短时间的延迟后，第八电阻R8的压降达到第四三极管Q4的Vbe4导通电压，从而使得第四三极管Q4导通，并且还将第一光耦1内部的光敏三极管产生的光电流进行分流，从而避免了第一光耦内的光敏三极管的发射极电压抬升过高而进入饱和；最后，第四三极管Q4将第一光耦1产生的多余光电流全部分流，使得第四三极管Q4的集电极电压刚好维持第三三极管Q3和第五三极管Q5的导通，也即是为第四三极管Q4提供了合适的基极电流，从而使得整个电路达到一个大环路负反馈的平衡。此过程中，由于第一光耦1的电流的传输比具有大范围的变化，难以确定其值，加上其内部发光管输入电流的变化、环境温度和元件老化对光耦电流传输比的影响，使得第一光耦1的输出电流在具体实际的运用中会大范围变化，但是本发明的电路，采用的是一个环路负反馈，将光耦输出的多余电流消耗掉，只要光耦输出的电流能够刚好维持第三三极管Q3和第五三极管Q5导通的电流，以及小于第四三极管Q4的最大输出电流即可使得整个电路能够稳定的工作。若所述第一光耦1导通电流增加，使得所述第四三极管Q4的集电极电位升高时，第三三极管Q3则导通电流加大，经过第八电阻R8的电流也增大、压降升高，使得第四三极管Q4的基极偏压升高、第四三极管Q4就将所述第一光耦1输出的电流进行更多的分流，使第五三极管Q5维持在接近饱和尚未饱和的临界饱和状态，以便在需要时第五三极管Q5能快速截止。以上负反馈过程，能保证在任何工况下，所述第四三极管Q4均能维持所述第一光耦1的输出电压不会过高，并保证第五三极管Q5维持在放大工作区域，不会进入饱和，也保证了所述第一光耦1内部的光敏三极管不会饱和。

在电路维持上述稳定的状态后，如果第一光耦1的发光管输出的电流突然减小或者为0，由于第二电容C2上的电压不会随之马上突变，因此 第四三极管Q4还会在短时间内维持原有稳定导通时的电流值；但是由于第一光耦1的输出电流已经开始减小，其就会在第四三极管Q4的恒流负载上产生电压突变，使得第四三极管Q4的集电极的电压迅速降低，从而也就导致第三三极管Q3和第五三极管Q5不能导通，并使得第五三极管Q5迅速翻转，将近似饱和的导通状态立即转变为截止态，也就使得Rx_out立即跳变为高电平；此时第一光耦1的光电流并没有完全消失，它依靠第二电容C2上存储的电荷为第四三极管Q4的基极供电，维持抽取剩余的光电荷，只要在下一个有效电脉冲输入光耦以前，第四三极管Q4完成第一光耦1的光电荷抽取即可；因此，第二电容的取值必须考虑第一光耦1的输出光电流的延迟量，光电流延迟越多，则第二电容C2的取值也就应该越大，但是过大的电容取值会导致抽取时间过长，当下一个脉冲到达时还没有结束抽取，这就会使下一个有效脉冲丢失。同时，第九电阻R9的取值取决于可能的最大光电流，并且与第二电容C2共同决定了光电流的抽取时间。

所述电压反馈电路2使第一光耦1的输出电压摆幅仅为0.8~1.0V，保持第一光耦1内的光敏三极管不会进入饱和状态，避免了过长时间的饱和电荷泄放过程，对所述第一光耦1的导通起着关键的作用。

所述电流维持电路3是在所述电压反馈电路2的基础上，对第一光耦1的输出端电流的稳定而设定的。因为虽然所述电压反馈电路2很好的保证了第五三极管Q5不会进入饱和状态，但是当撤销第一光耦1内的发光二极管的输入电流后，所述第一光耦1输出端仍然会维持超过3μs的剩余电流，所述剩余电流能够维持第五三极管Q5的导通，从而严重降低了通信速率。所以，才设计了所述电流维持电路3。

所述电流维持电路3包括第二电容C2、第六电阻R6、第八电阻R8和第九电阻R9；所述第二电容C2通过第六电阻R6与所述第三三极管Q3的集电极相连；所述第八电阻R8与所述第二电容C2并联；所述第九电阻R9一端与所述第二电容C2连接，另一端与所述第四三极管Q4的发射极连接。

只要光电流Rx_in使得所述第五三极管Q5导通，所述第三三极管Q3就会启动，随着第一光耦1的输出电流的增大，所述第三三极管Q3对第二电容C2的充电电流也会增加，所述第二电容C2直接与所述第四三极管Q4的基极连接的，使所述第四三极管Q4的集电极电流剧烈增大，因此所述第三三极管Q3和第四三极管Q4形成了强烈的负反馈，将所述第一光耦1输出的电流分流，从而保证了所述第一光耦1的输出电压保持稳定，从而也就使得整个电路达到平衡；当将所述第一光耦1输入端的电流Rx_in撤销，所述第一光耦1的输出电流立即会出现一个小的跌落，但是由于所述第二电容C2的延迟作用，所述第四三极管Q4的电流不会立即下降；同时还由于此时所述第四三极管Q4的电流大于所述第一光耦1能够提供的输出电流，因此所述第四三极管Q4立即将所述第一光耦1的输出电压拉低，使得所述第一光耦1的输出电压仅为所述第四三极管Q4和第九电阻R9上的电压，此电压远远低于维持所述第五三极管Q5导通所需要的电压，也就使得所述第五三极管Q5立即关闭，因此所述光耦接收电路的输出Rx_out迅速转为高电平。

所述电流维持电路3，具有快速启动的特点，使得第一光耦1在快速导通以后，只要光电流输出开始降低就能使第五三极管Q5立即截止，并不需要等待光电流完全泄放完毕，在第一光耦1的截止过程中起着重要作用。

以上所述的电压反馈电路2和电流维持电路3在单向通信中即可使用，即作为通信设备的数据接收端的光耦加速。如果为了在通信设备的数据发送端也需要光耦加速，使得通信速率更高，则需在发送端连接另一光耦，同样可以加速，只是连接的电路不同而已，即在所述第二光耦4连接互锁恒流源电路5，即图2的电路原理图。

所述第二光耦4与第一光耦1一样，都是廉价的普通光耦，采用的也是PC817，当然也可以使用其他普通光耦，比如TLP521。所述互锁恒流源电路5包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一三极管Q1、第二三极管Q2、二极管D1和第一电容C1；所述第一三极管Q1的集电极与所述第二光耦4中的发光二极管的输入端连接；所述第一电阻R1的一端和所述第二三极管Q2的基极都连接于所述第一三极管Q1的发射极，并且所述第二三极管Q2的发射极连接于所述第一电阻R1的另一端，所述第二三极管Q2的集电极连接于所述第一三极管Q1的基极；所述二极管D1与所述第二电阻R2和第三电阻R3串联，并且所述二极管D1的正极与第二电阻R2的连接，所述二极管D1的负极与所述第一电阻R1的一端相连，所述第三电阻R3与所述第二三极管Q2的集电极相连；所述第一电容C1连接于所述第二电阻R2和第三电阻R3之间。

所述互锁恒流源电路5目的在于稳定所述第二光耦4的输入电路，不受电源电压以及温度的影响，其中所述第一电阻R1、第一三极管Q14和第二三极管Q2组成了负温度系数的恒流源电路，其输出电流为第二三极管Q2的发射极正向偏压与第一电阻R1的比值。随着环境温度的升高，所述第二三极管Q2的发射结正向偏压近似线性降低，使得本发明所述的光耦通信加速系统具备负的温度系数，它与所述第二光耦4内的发光二极管的发光效率的负温度系数一起，相当大程度上抵消了所述第二光耦4内的光敏三极管输出电流的正温度系数，使得数据发送端的温度和电压稳定性都非常好。

以上恒流过程分析如下：当输入信号Tx_in处于上跳变或高电平时，所述第一电容C1为耦合电容，通过第二电阻R2和二极管D1对电源放电，所述第二三极管Q2的集电极正偏或无电压，所述第一三极管Q1的发射极反偏或零偏压截止；当输入信号Tx_in处于低电平跳变有效时，二极管D1、第二电阻R2反偏截止，第一三极管Q1发射极正偏导通；但若第一三极管Q1发射极电流在所述第一电阻R1上的分压增大到所述第二三极管Q2开始导通后，所述第二三极管Q2对所述第一三极管Q1的基极电流严重分流，从而降低了所述第一三极管Q1的基极电流，使所述第一三极管Q1的集电极电流始终稳定。不管VCC如何变化，只要VCC＞Veb2+Vces1+Vf_u2≈0.6+0.1+1.2=1.9V（Veb2为第二三极管Q2发射极与基极之间的电压，Vces1为第一三极管Q1在饱和区工作时集电极与发射极之间的饱和电压，Vf_u2为光耦U2的发光二极管导通时的正向压降），并且VCC＜第一三极管Q1的耐压，通过所述第二光耦4内的发光二极管的电流就基本恒定。当环境温度改变时，随着温度的升高，所述第二三极管Q2的发射结压降以-2.4~-2.2mV/℃的速度下降，使得所述第二光耦4得到的输入电流也呈负的温度系数；但所述第二光耦4接收端的光敏三极管的放大倍数是正温度系数的，两个相反的趋势大大减小了温度对所述第二光耦4的输出灵敏度的影响，保证了数据发送端所述第二光耦4恒流加速的稳定性。

本发明提及的在所述通信设备数据接收端连接的第一光耦1及其电压反馈电路2和电流维持电路3，适用于单向通信，提高了数据接收的通信速率；同样，在所述通信设备数据发送端连接的第二光耦4和互锁恒流源电路5，也适用于单向通信，提高了数据发送的通信速率；如果对于收发同速的串行通信，也需要将通信设备数据接收端和发送端结合在一起使用，当然通信的速率更高。实际验证发现，普通接法不到10kbps通信速率的PC817光耦，经过接收端和发送端二者同时加速的改进后，通信速率可以超过400kbps的速率。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种光耦通信加速系统，包括与通信设备数据接收端连接的第一光耦（1），其特征在于：

所述第一光耦（1）连接有电压反馈电路（2）和与所述电压反馈电路（2）连接的电流维持电路（3）。

2.根据权利要求1所述的光耦通信加速系统，其特征在于：

所述电压反馈电路（2）包括第三三极管（Q3）、第四三极管（Q4）、第五三极管（Q5）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）和第七电阻（R7）；

所述第三三极管（Q3）的发射极和第四三极管（Q4）的集电极都与第一光耦（1）连接，所述第五三极管（Q5）的基极通过与之串联的第五电阻（R5）与所述第三三极管（Q3）的发射极和所述第四三极管(Q4)的集电极连接，并且所述第五三极管（Q5）的集电极通过与之串联的第四电阻（R4）与所述第一光耦（1）的电源端连接；

所述第七电阻（R7）的两端分别与所述第五三极管（Q5）的基极和发射极连接。

3.根据权利要求1所述的光耦通信加速系统，其特征在于：

所述电流维持电路（3）包括第二电容（C2）、第六电阻（R6）、第八电阻（R8）和第九电阻（R9）；

所述第二电容（C2）通过第六电阻（R6）与所述第三三极管（Q3）的集电极相连；

所述第八电阻（R8）与所述第二电容（C2）并联；

所述第九电阻（R9）一端与所述第二电容（C2）连接，另一端与所述第四三极管（Q4）的发射极连接。

4.根据权利要求1所述的光耦通信加速系统，其特征在于：

还包括与通信设备数据发送端连接的第二光耦（4）；

所述第二光耦（4）连接有互锁恒流源电路（5）。

5. 根据权利要求4所述的光耦通信加速系统，其特征在于：

所述互锁恒流源电路（5）包括第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）\第一三极管（Q1）、第二三极管（Q2）、二极管（D1）和第一电容（C1）；

所述第一三极管（Q1）的集电极与所述第二光耦（4）连接；

所述第一电阻（R1）的一端和所述第二三极管（Q2）的基极都连接于所述第一三极管（Q1）的发射极，并且所述第二三极管（Q2）的发射极连接于所述第一电阻（R1）的另一端，所述第二三极管（Q2）的集电极连接于所述第一三极管（Q1）的基极；

所述二极管（D1）与所述第二电阻（R2）和第三电阻（R3）串联，并且所述二极管（D1）的正极与第二电阻（R2）的连接，所述二极管（D1）的负极与所述第一电阻（R1）的一端相连，所述第三电阻（R3）与所述第二三极管（Q2）的集电极相连；

所述第一电容（C1）连接于所述第二电阻（R2）和第三电阻（R3）之间。

6.根据权利要求1或4所述的光耦通信加速系统，其特征在于：

所述第一光耦（1）和第二光耦（4）采用的芯片型号为PC817。