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【摘要】本文介绍了使用光电耦合隔离器解决了二氧化碳激光治疗机的电磁干扰问题，以及光电耦合器的性能和工作原理，提出了抑制干扰而采取的电气隔离的技术措施，从而保证了二氧化碳激光治疗机的正常工作。
【关键词】电子；电路；光电耦合器；二氧化碳激光治疗机；电磁干扰
【中图分类号】R-0【文献标识码】B【文章编号】1671-8801（2014）06-0346-02
1 引言
二氧化碳激光治疗机是利用二氧化碳激光管发射出波长为10.6微米的激光束，对人体病灶组织进行切割、烧灼、汽化、凝固和照射治疗。通常都是采用光束与皮肤组织非接触的方式，比常规手术提供了更多便利的条件，包括减少器械损伤，增加周围组织被保护等，并且，更易保持无菌手术，二氧化碳激光手术刀具有切割能力强，组织吸收系数大，组织穿透深度小（约0.23mm）,手术时不易伤及动脉血管等，使得二氧化碳激光治疗机被大量用于激光外科手术临床治疗。
早期的二氧化碳激光治疗机（以下简称治疗机）的高压激光电源，其工作原理是用调压器调压，经升压变压器升压、整流、滤波、倍压电路，输出26.5KV～17.0KV直流高压。控制电路用脚踏开关和继电器组成的无源电路，不会产生因电磁干扰产生的误动作。这是其优点，但不能实现工作模式的选择，如连续工作状态，重复脉冲工作状态，以及功率大小设定的预置功能，所以被逐步淘汰使用。数字电路的产生和发展是电子技术发展的重要标志。应用单片机技术，可使治疗机的控制实现智能化，提高治疗机的自动化程序和控制精度。优化了治疗机控制器件的硬件结构，提高了治疗机的性价比。但在实际应用中要解决单片机CPU的I/O口输出端、输入端对电感性负载驱动后产生的电磁干扰问题。因为二氧化碳激光器是利用气体放电泵浦激励制成的气体激光器，二氧化碳激光电源输出起辉电压：DC26.5KV，工作电压：DC17KV。因此，激光电源就是一个很强的干扰源。可以引起单片机系统的控制性能降低，使单片机电子设备的工作功能异常或丧失，无法正常使用。必须想办法切断耦合路径。
2.干扰源的产生
二氧化碳激光电源是升压型开关电源，开关电源的设计核心其实就是升压变压器，由于变压器的线包其实是电感，电感是储能元件，储存的是磁场能，其电压与电流的关系： ，由电感元件的伏－安特性关系可以看出，接通和关断变压器线圈时，因为电感的电流不能突变，接通的时候，电流是缓慢上升的，感应电压UL不是很高，当线圈断电时，电感的电流不能突变，根据 的关系式可知，当电感L一定时，电路产生的关断状态，导致电流突然消失，di/dt很高，感应电压UL也就很高，此时产生的高频开关噪声一方面将沿着电源线通过传导耦合至控制电路的I/O端口，另外一方面通过空间耦合干扰，从而对系统的控制电路产生影响，干扰单片机控制电路的正常工作，严重时导致治疗机设备控制功能的异常，无法正常使用。
3.如何解决电磁兼容问题
电磁兼容技术的根本任务是使处于同一电磁环境中的各种电气、电子元件或系统能够互不干扰而正常工作，达到所谓“兼容”状态，已知干扰源是由于感性负载元件产生，通过电源线的地线连接到信号线的地线传导至控制线的I/O端口。有二种去耦的方法可供选择，一种是用去耦电容，其主要功能就是旁路接地，以减小开关噪声在线路板上的传导和将噪声旁路到地；另一种方法是采用光电耦合隔离器，切断干扰源的传导，经测试分析，采用光电耦合器，具有很高阻抗的共模干扰隔离效果，能保证治疗机运行可靠、稳定，其性价比优越，故采用光电耦合器方法来实现电磁兼容。
4.光电耦合器件简介
光电耦合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电－光和光－电的转换器。
当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光（即在电信号的作用下，将其传导电流变为非传导电荷）。当光敏元件受到光照产生电流（即在光辐射作用下，将其非传导电荷变为传导电荷）。
光电耦合器之所以在传导信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使传导导线上的信号噪声比大为提高，主要有以下几个方面的原因：
1、光电耦合器的输入阻抗很小，因为数字信号的电阻数值为每米若干毫欧姆（mΩ/m），而干扰源的阻抗较大，当地线与其他导体相距较远时，地线的电感为每米0.8μH。通常特性阻抗一米长的地线对f=10MHz的正弦信号电源所呈现的感抗为：XL=2πfL约等于50Ω，电流流经地阻抗造成的干扰称为地阻抗干扰。感抗是地阻抗干扰的主要原因，因此要减小地阻抗的干扰。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的噪声电流会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使发光二极管发光，而被抑制掉了。
2、光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有直接的电气连接，只有单向的光辐射连接，也没有共地相连；两者之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此，回路一边的各种噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻耦合干扰信号的产生。
3、光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏电路元件，因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。
5.二氧化碳激光治疗机控制板的隔离输出
部分。它们之间通过光传输信息，不存在电气上的连接。光耦输入端和普通的发
光二极管驱动完全一样，一般电流为20mA。.从输出端可以看到输出用的电源的电压大小与地和输入端完全不同，通过隔离方式（如图1所示）电路把电压从单片机的5V转换成12V的输出 ，也就是Port端的电压是0V和12V两种状态。
图1 是基本的光电隔离电路，电路分为两个部分：光电输入部分和输出
治疗机的单片机控制板有两路I/O输出端口，控制激光电源的工作，通过光电耦合隔离器，提供两路控制信号给二氧化碳激光电源。一路由PWM端口提供0～5V的模拟电压，控制激光器的输出功率范围在0～30W内。另一路输出TTL低电平控制激光器的发射出光。脚踏输入信号通过光电耦合器与单片机的输入端相连。
6.结束语
采用单片机控制二氧化碳激光治疗机，可实现工作模式的选择，有连续模式、重复脉冲模式和单脉冲模式，激光输出功率可预置设定等智能化控制。在首次产品开发时，由于没有使用光电耦合器，治疗机在测试阶段发现电磁干扰会引起治疗机设备无法正常工作。采用了光电隔离技术后，治疗机设备具有了电磁兼容能力。为了使治疗机设备能可靠运行，将干扰源部分和单片机控制部分分隔开。它们之间没有电荷的传导连接，只有单向的光辐射连接，实现了切断干扰源的耦合路径。经过测试验证的结果表明，使用了光电耦合器的单片机控制板，可为治疗机提供稳定、可靠的控制信号，能保证二氧化碳激光治疗机长期稳定的工作。
参考文献：
[1]尚开明 •电磁兼容及系统整机测试技术•北京：电子工业出版社 2013
[2]江文杰，施建华，谢文科，马浩统，曾学文•光电技术•北京：科学出版社 2014
作者简介：张绍敏：男，1956出生，祖籍：广东省广州市，大专学历，副高级工程师，广州市激光技术应用研究所有限公司任职，长期从事与激光医疗设备相关课题的研究与开发。
【关键词】电子；电路；光电耦合器；二氧化碳激光治疗机；电磁干扰
【中图分类号】R-0【文献标识码】B【文章编号】1671-8801（2014）06-0346-02
1 引言
二氧化碳激光治疗机是利用二氧化碳激光管发射出波长为10.6微米的激光束，对人体病灶组织进行切割、烧灼、汽化、凝固和照射治疗。通常都是采用光束与皮肤组织非接触的方式，比常规手术提供了更多便利的条件，包括减少器械损伤，增加周围组织被保护等，并且，更易保持无菌手术，二氧化碳激光手术刀具有切割能力强，组织吸收系数大，组织穿透深度小（约0.23mm）,手术时不易伤及动脉血管等，使得二氧化碳激光治疗机被大量用于激光外科手术临床治疗。
早期的二氧化碳激光治疗机（以下简称治疗机）的高压激光电源，其工作原理是用调压器调压，经升压变压器升压、整流、滤波、倍压电路，输出26.5KV～17.0KV直流高压。控制电路用脚踏开关和继电器组成的无源电路，不会产生因电磁干扰产生的误动作。这是其优点，但不能实现工作模式的选择，如连续工作状态，重复脉冲工作状态，以及功率大小设定的预置功能，所以被逐步淘汰使用。数字电路的产生和发展是电子技术发展的重要标志。应用单片机技术，可使治疗机的控制实现智能化，提高治疗机的自动化程序和控制精度。优化了治疗机控制器件的硬件结构，提高了治疗机的性价比。但在实际应用中要解决单片机CPU的I/O口输出端、输入端对电感性负载驱动后产生的电磁干扰问题。因为二氧化碳激光器是利用气体放电泵浦激励制成的气体激光器，二氧化碳激光电源输出起辉电压：DC26.5KV，工作电压：DC17KV。因此，激光电源就是一个很强的干扰源。可以引起单片机系统的控制性能降低，使单片机电子设备的工作功能异常或丧失，无法正常使用。必须想办法切断耦合路径。
2.干扰源的产生
二氧化碳激光电源是升压型开关电源，开关电源的设计核心其实就是升压变压器，由于变压器的线包其实是电感，电感是储能元件，储存的是磁场能，其电压与电流的关系： ，由电感元件的伏－安特性关系可以看出，接通和关断变压器线圈时，因为电感的电流不能突变，接通的时候，电流是缓慢上升的，感应电压UL不是很高，当线圈断电时，电感的电流不能突变，根据 的关系式可知，当电感L一定时，电路产生的关断状态，导致电流突然消失，di/dt很高，感应电压UL也就很高，此时产生的高频开关噪声一方面将沿着电源线通过传导耦合至控制电路的I/O端口，另外一方面通过空间耦合干扰，从而对系统的控制电路产生影响，干扰单片机控制电路的正常工作，严重时导致治疗机设备控制功能的异常，无法正常使用。
3.如何解决电磁兼容问题
电磁兼容技术的根本任务是使处于同一电磁环境中的各种电气、电子元件或系统能够互不干扰而正常工作，达到所谓“兼容”状态，已知干扰源是由于感性负载元件产生，通过电源线的地线连接到信号线的地线传导至控制线的I/O端口。有二种去耦的方法可供选择，一种是用去耦电容，其主要功能就是旁路接地，以减小开关噪声在线路板上的传导和将噪声旁路到地；另一种方法是采用光电耦合隔离器，切断干扰源的传导，经测试分析，采用光电耦合器，具有很高阻抗的共模干扰隔离效果，能保证治疗机运行可靠、稳定，其性价比优越，故采用光电耦合器方法来实现电磁兼容。
4.光电耦合器件简介
光电耦合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电－光和光－电的转换器。
当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光（即在电信号的作用下，将其传导电流变为非传导电荷）。当光敏元件受到光照产生电流（即在光辐射作用下，将其非传导电荷变为传导电荷）。
光电耦合器之所以在传导信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使传导导线上的信号噪声比大为提高，主要有以下几个方面的原因：
1、光电耦合器的输入阻抗很小，因为数字信号的电阻数值为每米若干毫欧姆（mΩ/m），而干扰源的阻抗较大，当地线与其他导体相距较远时，地线的电感为每米0.8μH。通常特性阻抗一米长的地线对f=10MHz的正弦信号电源所呈现的感抗为：XL=2πfL约等于50Ω，电流流经地阻抗造成的干扰称为地阻抗干扰。感抗是地阻抗干扰的主要原因，因此要减小地阻抗的干扰。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的噪声电流会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使发光二极管发光，而被抑制掉了。
2、光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有直接的电气连接，只有单向的光辐射连接，也没有共地相连；两者之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此，回路一边的各种噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻耦合干扰信号的产生。
3、光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏电路元件，因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。
5.二氧化碳激光治疗机控制板的隔离输出
部分。它们之间通过光传输信息，不存在电气上的连接。光耦输入端和普通的发
光二极管驱动完全一样，一般电流为20mA。.从输出端可以看到输出用的电源的电压大小与地和输入端完全不同，通过隔离方式（如图1所示）电路把电压从单片机的5V转换成12V的输出 ，也就是Port端的电压是0V和12V两种状态。
图1 是基本的光电隔离电路，电路分为两个部分：光电输入部分和输出
治疗机的单片机控制板有两路I/O输出端口，控制激光电源的工作，通过光电耦合隔离器，提供两路控制信号给二氧化碳激光电源。一路由PWM端口提供0～5V的模拟电压，控制激光器的输出功率范围在0～30W内。另一路输出TTL低电平控制激光器的发射出光。脚踏输入信号通过光电耦合器与单片机的输入端相连。
6.结束语
采用单片机控制二氧化碳激光治疗机，可实现工作模式的选择，有连续模式、重复脉冲模式和单脉冲模式，激光输出功率可预置设定等智能化控制。在首次产品开发时，由于没有使用光电耦合器，治疗机在测试阶段发现电磁干扰会引起治疗机设备无法正常工作。采用了光电隔离技术后，治疗机设备具有了电磁兼容能力。为了使治疗机设备能可靠运行，将干扰源部分和单片机控制部分分隔开。它们之间没有电荷的传导连接，只有单向的光辐射连接，实现了切断干扰源的耦合路径。经过测试验证的结果表明，使用了光电耦合器的单片机控制板，可为治疗机提供稳定、可靠的控制信号，能保证二氧化碳激光治疗机长期稳定的工作。
参考文献：
[1]尚开明 •电磁兼容及系统整机测试技术•北京：电子工业出版社 2013
[2]江文杰，施建华，谢文科，马浩统，曾学文•光电技术•北京：科学出版社 2014
作者简介：张绍敏：男，1956出生，祖籍：广东省广州市，大专学历，副高级工程师，广州市激光技术应用研究所有限公司任职，长期从事与激光医疗设备相关课题的研究与开发。