在工业自动化企业中，无论出现的问题是大是小，经常都会使自动化生产系统停工。而停工又可能导致了数百万美元和机会成本的损失，为了让系统重新开始运转，还需要投入额外的资源和资金。这些停机的情况有时实际上是由于最初设计考虑不周造成的，因为忽略了电磁干扰、高压电涌、甚至安全标准等方面的因素。
随着以太网的发展及其在工业环境中的应用日渐广泛，硬件也经历着变革，从曾经的适用于办公配置硬件，到用于生产厂区的结实耐用的硬件，这一转变无疑将带来巨大的挑战。将这些硬件从Fieldbus和设备级集成到以太网集成中，接收端搜集到的数据的准确性比以往任何时候都要重要的多。
出于很多原因，光电耦合器在工业联网系统得到了广泛的应用，利用光电耦合器，可以使工作于不同电压电平的各个电路作为一个系统一起协作，并同时保持彼此间的电气隔离或电流隔离。还可将光电耦合器用于确保数据无错误传输、保持数据完整性以及保护相互连接的设备以进行高速数据Fieldbus通信。光电耦合器在工业通信方面的应用包括输入/输出系统、感应器、温度控制系统、电源、调节系统、电动机控制、驱动系统、仪器仪表以及医药系统。本文将讨论在构建安全稳定的工业系统时必须引起注意的一些重要因素。
一、光电耦合器基础
基本的光电耦合器由发光二极管(LED)、光电探测器和光学透明的电绝缘薄膜或电介质组成。有电流通过LED时，它会发光，然后发出的光将通过电介质耦合到光电探测器。光电探测器随即会产生与耦合光相称的电流。可以通过使用各种电路对此电流进行操作，从而执行特定功能。光电耦合器的主要功能是防止电路一侧出现的高压或电压频繁波动对另一侧的组件造成损坏或使传输失真。这是通过以光的形式传递所需的信号来实现的，而在此过程中两个系统间将保持电隔离。
电路设计者在设计其应用时，通常会遇到三种与隔离相关的问题：
• 电压瞬变：指潜在的高电流或电压涌动，会引起电击从而损坏组件且可能危及人身安全。通常是发生在两个电路或系统间的短暂且强大的电涌。
• 接地环路电流：指存在于不同接地电位的互连点间的多余信号，会造成破坏性的接地环路。此类情况经常出现在各种连接节点处具有不同接地的通信网络中。这些接地间的电势差可以是交流电压(ac)或直流电压(dc)，且反映该通信系统中的各种干扰成分的杂合。如果电压足够大，则可能会导致设备损坏（如通信端口）、传输错误或数据信号畸变。长期下去，可能会引起电路板发热甚至烧坏电路板，从而损坏组件和引起电击，某些情况下还会对人体造成潜在的致命威胁。
• 高压电平移位：随着数字IC的操作电压越来越低，将设备的敏感电子组件与高压电子组件分开的需求日益增长。为了确保信息交换的可靠性，防止在不同接地参考电压间形成电流，需要使用隔离技术。例如，在电机控制应用中，电机的电气系统由两部分组成，即低压控制器和动力模块。在这样的系统内部，保护这两部分并使其免受切换瞬变和公用模块电压波动的影响至关重要。同时，还有必要提供接口控制和反馈回路的电平转换和信号隔离。
二、选择光电耦合器
1、隔离设备的安全标准
为确保安全设备与产品的一致性，已发布了国际安全标准。这些标准意在保护电击、机械伤害、火灾和电磁干扰等诸多环境下的公众的人身安全。
在系统级和组件级也有许多隔离安全标准，其适用性因地域和各种设备应用的不同而存在一定的差异。在工业市场，系统级安全标准包括作为全球标准或国际标准的IEC 6043（国际电工技术委员会）和适用于美国的UL5084（美国保险商实验所）及在欧洲适用的EN 501785（欧盟）。组件级适合光电耦合器的安全标准包括IEC 60747-5-2（全球适用）、UL 1577（适用于美国）以及EN 60747-5-2（适用于欧洲）。
为了进一步发展和完善光电耦合器标准，国际电工技术委员会(IEC)将不断对其标准进行修缮，以使其成为更为通用的标准。为了获得IEC 60747-5-2认证，光电耦合器组件接受了大量特殊且严格的鉴定测试，包括环境测试、机械测试、隔离测试及电气测试。组件通过测试的条件是通过上限严格控制在5pC内的局部放电测试。
绝缘性被定义为材料可以抵抗电流直至组件被击穿的特性。因此，绝缘性是产品安全设计方面需考虑的一个重要因素。产品安全设计最基本的原则是电路隔离，将可能被其它电路电击破坏的电路隔离开，或者将用户可能接触或连接到其它设备的特定部分隔离开。电路必须是安全的，不仅是在正常使用时如此，在出现故障的情况下也应同样安全。两种主要的绝缘级别为“基本绝缘6”和“加强绝缘7”，其安全性方面存在着明显的差别。
（1）基本绝缘
自2004年1月起，德国光电耦合器安全标准规范VDE 0884由IEC/EN/DIN EN 60747-5-28取代，此安全标准直接适用于光隔离设备。尽管此标准仅适用于光隔离器，但使用其它隔离技术的设备（如磁隔离栅或电容隔离栅）仍意外甚至错误地得到了光电耦合器安全标准认证。不过，这些产品的认证仅限于“基本绝缘”，这种绝缘级别不可能提供“故障安全运行”。
这意味着经IEC/EN/DIN EN 60747-5-2鉴定和认证的符合“基本绝缘”的设备仅提供抗电击的基本防护。无法将其视为“故障保护9”，因此不应将这种设备提供给用户。我们的一个竞争对手提供一种使用单片集成电路空心变压器的隔离技术，他们的绝缘特性数据表的脚注中有这样一句话：“此隔离器仅适用于基本电气隔离……”。由于此技术不是符合IEC/EN/DIN EN60747-5-2标准的光隔离技术，因此鉴定机构将其鉴定和认证为仅适用于“基本电气隔离”。如前所述，从定义而言，基本绝缘在单一故障情况下易出现故障或短路。
（2）加强绝缘
所需的绝缘水平在很大程度上依赖于组件的故障情况下的故障模式。仅具有“故障保护”的组件才能获得“加强绝缘”的认证。这意味着“加强绝缘”不仅提供抗电击保护，而且采用实现用户可及性的“故障保护”设计。
安华高科技科技具有超过30年的光电耦合器制造经验，是产品种类最为繁多的厂家之一，产品包括从光电晶体管到业界最快的光电耦合器(50MBd)。我们是一流的供应商之一，提供的产品的最高绝缘工作电压为1414Vpeak。安华高科技的所有光电耦合器都得到了组件级安全标准的认证和认可，这些标准包括UL1577（美国保险商实验所）、CSA（加拿大标准协会）和IEC/EN/DIN EN 60747-5-2（国际电工技术委员会、欧盟、德国国家标准）。UL和CSA的等级测定基于一分钟内的短期电介质电压承受能力，而IEC/EN/DIN EN的等级测定则基于持续工作电压和瞬时过电压。
2、高压绝缘的可靠性
光电耦合器经常在存在高压的环境下使用。尽管制定了很多安全标准规范，将其作为使用高压的行业提供指导方针，但由于对电应力和热应力导致老化和出现故障的机制不甚了解，人们对此类绝缘体的主要问题就是不能确定其可靠性。
最近进行的评估测试可以确定隔离设备的持续工作时间，在这段时间内，可以成功将其隔离栅的一侧与另一侧上的高压进行隔离。进行此测试，目的是为了评估在高压环境中设备的可靠性和绝缘完整性。高压有效工作时长测试是破坏性测试，我们给竞争对手的(A)设备所加电压为2.5KV稳定电压，而对安华高科技的光电耦合器则按照数据表中的规范参数施加3.75KV的电压。之后监视这些单元的有效工作时长（按小时计），直到隔离栅失效或测试设备损坏为止。
3、静电放电
在高速逻辑电路中，导致组件故障的主要原因之一就是静电放电(ESD)。各种情况下都会出现静电放电，设备或电路板处理不当、接口设计不合理或闪电或其它会导致设备接口出现大范围电压击穿的现象等都会引起静电放电。设备被静电放电损坏时，受影响的设备可能会停止工作、出现参数畸变或故障率升高。唯一修复的办法就是更换损坏的组件。
光电耦合器能非常有效地防止静电放电问题，特别是在易遭受电气损坏的环境中将两套系统连接起来的情况下，光电耦合器的表现非常出众。光电耦合器可以实现隔离，这样，即使系统在电气干扰严重的环境中使用，它们还是可以在自身内实现电中性。此类领域包括电机控制、电源切换、工业网络和医药应用。
最近进行了ESD测试，以评估光学技术和磁技术的性能。该测试评估了ESD脉冲对两种不同技术的介电材料的影响。按照IEC-6100-4-2标准的测试要求，随机选取了竞争对手(A)的五个部件样本作为测试单元，在其输入端注入ESD脉冲，并同时分别将输入端和输出端的所有针脚短接在一起。然后测量输入和输出之间的电阻。
如前面所提到的，该测试在竞争对手(A)的五个测试单元上注入ESD脉冲，然后从5.5KV开始以0.5KV为间隔加大ESD电压，直到测试单元出现故障或失效为止。这意味着，当测量输入和输出间的电阻时，所得到的度数会十分接近零欧姆。这说明被测试的设备已经短路。接下来，也采用同样的方法对三个安华高科技光电耦合器单元进行了测试，测试结果表明，甚至在ESD电压达到11KV时，安华高科技的光电耦合器也没有出现介电故障。不过，当ESD电压水平为大约11.5KV时，出现了外部电弧放电，因而无法进行进一步测试。
我们会发现，竞争对手(A)的五个测试单元中有三个在大约10KV时出现了介电故障，而另外两个在更低的ESD电压（分别为6.5KV和8.0KV）就出现了故障。这表明竞争对手(A)的产品比安华高科技的光电耦合器更容易受ESD应力影响。此测试还表明，在整个测试过程中，光电耦合器的绝缘功能没有受ESD应力的影响。
4、电磁干扰(EMI)
电磁干扰(EMI)可以定义为任何使用可以被接受的电子发射进行干扰、降级或干涉的电磁骚扰，此骚扰会限制电子电气设备的有效性能。电磁干扰可以是人为有意制造的（如在一些电子战中），也可以是由杂散发射和响应、互调产品、大气干扰（如闪电）以及地球外来源（如太阳黑子）等非人为原因产生的。射频干扰(RFI)是一类特殊的EMI，其中的射频传输（通常称为窄带）可能会给设备操作带来意想不到的问题。射频干扰的来源广泛，如移动电话或电力线、变压器、医疗设备、机电开关以及其它在工业环境中常见的非人为有意放置的发射体。
EMI有两种形式，即辐射EMI和传导EMI。辐射EMI从发射源通过空气传播到达接收源，而传导EMI则沿传导路径传播。这两种干扰都可以发射出有害的电子信号，传播可被接受的信号，从而通过更改设备的正常工作参数来干扰设备的正常运转。
这些故障通常被归类为电磁干扰或EMI故障。处理EMI问题是一个大的挑战。当怀疑发生电磁干扰时，解决问题的第一步是确定受影响设备的能量传递机制：辐射、传导或感应。可以通过以下措施缓解该问题：限制感应能量的数量，或者排除根本原因（物理隔离）或对发生故障的设备加以保护（例如，在通讯区内进行屏蔽）。此过程还会产生关联成本。避免潜在EMI问题的最佳方法是：选择低敏感度设备或免疫设备，优化设备的布置以便最大程度地降低耦合效应并正确进行屏蔽。
市场上存在的各种隔离器和耦合器都由集成CMOS或双极IC组成。耦合部件是当今几种不同技术的主要区别所在，它可以是光耦合隔离器（光电耦合器）、磁耦合隔离器（磁耦合器）和电容耦合隔离器（电容耦合器）。在强电磁场中，它们的行为各不相同。光电耦合器LED/光电二极管组合以不受电磁干扰而着称（因为其采用光耦合路径），而磁隔离器却由于自身微观结构和磁耦合的原因，在EMI方面确实有一些限制。在DC级磁场(0Hz)和磁场强度不同级别的不同频率下，磁耦合器可能会发生故障。
设计人员的主要考虑因素是避免其应用或设备（特别是用于工业环境和靠近发动机控制的设备）在以后存在潜在的EMI问题。光电耦合器是最佳的选择，因为与当前市场中的所有其它隔离器相比之下，还能承受更高的电磁场。
三、总结
在设计良好的工业系统的过程中，特别是在涉及高电压的情况下（DC 48V、AC 110以上），设备和组件的安全至关重要，这是主要的考虑因素之一。这些类型的系统通常处于电机起动器、伺服驱动器、可编程逻辑控制器、功率转换器之间，因此，为工作人员提供一个安全的工作环境在系统设计中举足轻重。此外，如引言部分所述，由组件失效导致的机器故障会给企业带来重大损失，故而系统关键应用还应该具备故障保护功能。
尽管设计人员通常在最初选择隔离产品时考虑大小、低功率和成本，但是必须要记住隔离的基本要求实际上是隔离有害的信号，同时实现高压绝缘。因此，在设计安全可靠的工业系统时，应当牢记四个不可或缺的选择标准：
• 隔离设备的各种安全标准，请注意，安华高科技光电耦合器具有“加强绝缘”功能，可以提供故障偏安运行。
• 高电压绝缘的可靠性，这会使由于系统中的高电压冲击而使组件失效的几率降至最低。请注意，安华高科技的光电耦合器可以连续至少168小时承受3.75KV的高电压而不发生故障。
• 静电放电(ESD)会使系统降低性能或不能正常工作。请注意，即使ESD电压为11KV，安华高科技的光电耦合器也不会出现任何电介质失效的故障。
• 电磁干扰(EMI)也是可以导致工业系统出现故障的另一个因素。
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