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光耦-工作原理99

光耦

所屬分類: 儀器 儀表 機(jī)械 電器 設(shè)備

光耦
光耦合器(opticalcoupler,英文縮寫為OC)亦稱光電隔離器或光電耦合器,簡(jiǎn)稱光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)的器件,通常把發(fā)光器(紅外線發(fā)光二極管LED)與受光器(光敏半導(dǎo)體管)封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線,受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流,從輸出端流出,從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器,由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn),抗干擾能力強(qiáng),輸出和輸入之間絕緣,單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn),在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。

目錄 [隱藏]

光耦-工作原理

 

1553b耦合器線纜接頭

耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用,所以,它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。而且它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成:光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED),使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光,被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流,再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換,從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離,電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn),因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光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(qiáng)的共模抑制能力。所以,它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件,可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。

光耦-結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

 

光耦
光電耦合的主要特點(diǎn)如下:

1.輸入和輸出端之間絕緣,其絕緣電阻一般都大于10

10Ω,耐壓一般可超過(guò)1kV,有的甚至可以達(dá)到10kV以上。

2.由于“光”傳輸?shù)膯蜗蛐?,所以信?hào)從光源單向傳輸?shù)焦饨邮掌鲿r(shí)不會(huì)出現(xiàn)反饋現(xiàn)象,其輸出信號(hào)也不會(huì)影響輸入端。

3.由于發(fā)光器件(砷化鎵紅外二極管)是阻抗電流驅(qū)動(dòng)性器件,而噪音是一種高內(nèi)阻微電流電壓信號(hào)。因此光電耦合器件的共模抑制比很大,所以,光電耦合器件可以很好地抑制干擾并消除噪音。

4.容易和邏輯電路配合。

5.響應(yīng)速度快。光電耦合器件的時(shí)間常數(shù)通常在微秒甚至毫微秒極。

6.無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、體積小、耐沖擊。

光耦-性能特點(diǎn)

 

檢測(cè)示意圖
光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號(hào),輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離,抗干擾能力強(qiáng),使用壽命長(zhǎng),傳輸效率高。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小,因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小,它所能提供的電流并不大,不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光;由于光電耦合器的外殼是密封的,它不受外部光的影響;光電耦合器的隔離電阻很大(約1012Ω)、隔離電容很?。s幾個(gè)pF)所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。線性方式工作的光電耦合器是在光電耦合器的輸入端加控制電壓,在輸出端會(huì)成比例地產(chǎn)生一個(gè)用于進(jìn)一步控制下一級(jí)的電路的電壓。線性光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成,當(dāng)發(fā)光二極管接通而發(fā)光,光敏三級(jí)管導(dǎo)通,光電耦合器是電流驅(qū)動(dòng)型,需要足夠大的電流才能使發(fā)光二極管導(dǎo)通,如果輸入信號(hào)太小,發(fā)光二極管不會(huì)導(dǎo)通,其輸出信號(hào)將失真。在開關(guān)電源,尤其是數(shù)字開關(guān)電源中,利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路,通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比,達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。

光耦合器的技術(shù)參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級(jí)與輸出級(jí)之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)。此外,在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)間、延遲時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)。

電流傳輸比是光耦合器的重要參數(shù),通常用直流電流傳輸比來(lái)表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí),它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。采用一只光敏三極管的光耦合器,CTR的范圍大多為20%~300%(如4N35),而PC817則為80%~160%,達(dá)林頓型光耦合器(如4N30)可達(dá)100%~5000%。這表明欲獲得同樣的輸出電流,后者只需較小的輸入電流。因此,CTR參數(shù)與晶體管的hFE有某種相似之處。線性光耦合器與普通光耦合器典型的CTR-IF特性曲線。

普通光耦合器的CTR-IF特性曲線呈非線性,在IF較小時(shí)的非線性失真尤為嚴(yán)重,因此它不適合傳輸模擬信號(hào)。線性光耦合器的CTR-IF特性曲線具有良好的線性度,特別是在傳輸小信號(hào)時(shí),其交流電流傳輸比(ΔCTR=ΔIC/ΔIF)很接近于直流電流傳輸比CTR值。因此,它適合傳輸模擬電壓或電流信號(hào),能使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。這是其重要特性。

使用光電耦合器主要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離,在設(shè)計(jì)電路時(shí),必須遵循下列原則:所選用的光電耦合器件必須符合國(guó)際的有關(guān)隔離擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn);由英國(guó)埃索柯姆(Isocom)公司、美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N××系列(如4N25 、4N26、4N35)光耦合器,目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用地十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開關(guān)特性,其線性度差,適宜傳輸數(shù)字信號(hào)(高、低電平),可以用于單片機(jī)的輸出隔離;所選用的光耦器件必須具有較高的耦合系數(shù)。

光耦-技術(shù)參數(shù)

 

光耦
光耦合器的技術(shù)參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級(jí)與輸出級(jí)之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)。此外,在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)間、延遲時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)。

電流傳輸比是光耦合器的重要參數(shù),通常用直流電流傳輸比來(lái)表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí),它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。

使用光電耦合器主要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離,在設(shè)計(jì)電路時(shí),必須遵循下列原則:所選用的光電耦合器件必須符合國(guó)內(nèi)和國(guó)際的有關(guān)隔離擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn);由英國(guó)埃索柯姆(Isocom)公司、美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N××系列(如4N25、4N26、4N35)光耦合器,在國(guó)內(nèi)應(yīng)用地十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開關(guān)特性,其線性度差,適宜傳輸數(shù)字信號(hào)(高、低電平),可以用于單片機(jī)的輸出隔離;所選用的光耦器件必須具有較高的耦合系數(shù)。

光耦-型號(hào)參數(shù)

 

Part Number IFT(mA)max VTM(V)max DM(V)min dv/dt(V/us)min IDRM 1(nA)max VISOACRMS
MOC3031 15 3 250 1000 100 5.3kV
MOC3032 10 3 250 1000 100 5.3kV
MOC3033 5 3 250 1000 100 5.3kV
MOC3041 15 3 400 1000 100 5.3kV
MOC3042 10 3 400 1000 100 5.3kV
MOC3043 5 3 400 1000 100 5.3kV
MOC3061 15 3 600 600 500 5.3kV
MOC3062 10 3 600 600 500 5.3kV
MOC3063 5 3 600 600 500 5.3kV
MOC3081 15 3 800 600 500 5.3kV
MOC3082 10 3 800 600 500 5.3kV
MOC3083 5 3 800 600 500 5.3kV
MOC3162 10 3 600 1000 100 5.3kV
MOC3163 5 3 600 1000 100 5.3kV

 

 

 

 

 

 

 

 

光耦-產(chǎn)品作用

 

對(duì)輸入、輸出電信號(hào)起隔離作用,光耦合器一般由三部分組成:光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED),使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光,被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流,再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換,從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離,電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn),因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光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(qiáng)的共模抑制能力。

光耦-使用原則

 

原理示意圖
1、光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%~200%。這是因?yàn)楫?dāng)CTR<50%時(shí),光耦中的LED就需要較大的工作電流(IF>5.0mA),才能正??刂茊纹_關(guān)電源IC的占空比,這會(huì)增大光耦的功耗。若CTR>200%,在啟動(dòng)電路或者當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí),有可能將單片開關(guān)電源誤觸發(fā),影響正常輸出。

2、若用放大器電路去驅(qū)動(dòng)光電耦合器,必須精心設(shè)計(jì),保證它能夠補(bǔ)償耦合器的溫度不穩(wěn)定性和漂移。

3、推薦采用線性光耦合器,其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。

上述使用的光電耦合器時(shí)工作在線性方式下,在光電耦合器的輸入端加控制電壓,在輸出端會(huì)成比例地產(chǎn)生一個(gè)用于進(jìn)一步控制下一級(jí)電路的電壓,是單片機(jī)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制,對(duì)電源輸出起到穩(wěn)壓的作用。

為了徹底阻斷干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng),不僅信號(hào)通路要隔離,而且輸入或輸出電路與系統(tǒng)的電源也要隔離,即這些電路分別使用相互獨(dú)立的隔離電源。對(duì)于共模干擾,采用隔離技術(shù),即利用變壓器或線性光電耦合器,將輸入地與輸出地?cái)嚅_,使干擾沒有回路而被抑制。在開關(guān)電源中,光電耦合器是一個(gè)是非重要的外圍器件,設(shè)計(jì)者可以充分的利用它的輸入輸出隔離作用對(duì)單片機(jī)進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì),并對(duì)變換器進(jìn)行閉環(huán)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。

光耦-主要優(yōu)點(diǎn)

 

光纖耦合器
光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是:信號(hào)單向傳輸,輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離,輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響,抗干擾能力強(qiáng),工作穩(wěn)定,無(wú)觸點(diǎn),使用壽命長(zhǎng),傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來(lái)產(chǎn)新型器件,現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中,利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路,通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比,達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。

光耦-主要種類

 

光纖耦合器

由于光電耦合器的品種和類型非常多,在光電子DATA手冊(cè)中,其型號(hào)超過(guò)上千種,通常可以按以下方法進(jìn)行分類:
(1)按光路徑分,可分為外光路光電耦合器(又稱光電斷續(xù)檢測(cè)器)和內(nèi)光路光電耦合器。外光路光電耦合器又分為透過(guò)型和反射型光電耦合器。

(2)按輸出形式分,可分為:
a、光敏器件輸出型,其中包括光敏二極管輸出型,光敏三極管輸出型,光電池輸出型,光可控硅輸出型等。
b、NPN三極管輸出型,其中包括交流輸入型,直流輸入型,互補(bǔ)輸出型等。
c、達(dá)林頓三極管輸出型,其中包括交流輸入型,直流輸入型。
d、邏輯門電路輸出型,其中包括門電路輸出型,施密特觸發(fā)輸出型,三態(tài)門電路輸出型等。
e、低導(dǎo)通輸出型(輸出低電平毫伏數(shù)量級(jí))。
f、光開關(guān)輸出型(導(dǎo)通電阻小余10Ω)。
g、功率輸出型(IGBT/MOSFET等輸出)。

(3)按封裝形式分,可分為同軸型,雙列直插型,TO封裝型,扁平封裝型,貼片封裝型,以及光纖傳輸型等。

(4)按傳輸信號(hào)分,可分為數(shù)字型光電耦合器(OC門輸出型,圖騰柱輸出型及三態(tài)門電路輸出型等)和線性光電耦合器(可分為低漂移型,高線性型,寬帶型,單電源型,雙電源型等)。

(5)按速度分,可分為低速光電耦合器(光敏三極管、光電池等輸出型)和高速光電耦合器(光敏二極管帶信號(hào)處理電路或者光敏集成電路輸出型)。

(6)按通道分,可分為單通道,雙通道和多通道光電耦合器。

(7)按隔離特性分,可分為普通隔離光電耦合器(一般光學(xué)膠灌封低于5000V,空封低于2000V)和高壓隔離光電耦合器(可分為10kV,20kV,30kV等)。

(8)按工作電壓分,可分為低電源電壓型光電耦合器(一般5~15V)和高電源電壓型光電耦合器(一般大于30V)。

光耦-隔離

 

光電耦合器
光耦隔離就是采用光耦合器進(jìn)行隔離,光耦合器的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把發(fā)光二極管和光敏(三極)管封裝在一起。發(fā)光二極管把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳給光敏管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出,由于沒有直接的電氣連接,這樣既耦合傳輸了信號(hào),又有隔離作用。只要光耦合器質(zhì)量好,電路參數(shù)設(shè)計(jì)合理,一般故障少見。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)異常,使輸入、輸出兩側(cè)的電位差超過(guò)光耦合器所能承受的電壓,就會(huì)使之被擊穿損壞。

可以認(rèn)為是一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光電二極管三極管封裝到一起??梢詫?shí)現(xiàn)信號(hào)的完全電氣隔離。在信號(hào)采集系統(tǒng)中廣泛采用。

光耦是通電使發(fā)光二極管發(fā)光,光敏二極管接受光導(dǎo)通的器件。其好處輸入和輸出是隔離的,就象變壓器一樣。6N137和6N138是光耦8腳IC,具體參數(shù)搜索一下即可光偶隔離器的缺點(diǎn)是尺寸太大。

光耦-工作特性

 

光纖耦合器
1、共模抑制比很高

在光電耦合器內(nèi)部,由于發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很?。?pF以內(nèi))所以共模輸入電壓通過(guò)極間耦合電容對(duì)輸出電流的影響很小,因而共模抑制比很高。

2、輸出特性

光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流IF下,光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關(guān)系,當(dāng)IF=0時(shí),發(fā)光二極管不發(fā)光,此時(shí)的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流,一般很小。當(dāng)IF>0時(shí),在一定的IF作用下,所對(duì)應(yīng)的IC基本上與VCE無(wú)關(guān)。IC與IF之間的變化成線性關(guān)系,用半導(dǎo)體管特性圖示儀測(cè)出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極管輸出特性相似。

3、光電耦合器可作為線性耦合器使用

在發(fā)光二極管上提供一個(gè)偏置電流,再把信號(hào)電壓通過(guò)電阻耦合到發(fā)光二極管上,這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號(hào),其輸出電流將隨輸入的信號(hào)電壓作線性變化。光電耦合器也可工作于開關(guān)狀態(tài),傳輸脈沖信號(hào)。在傳輸脈沖信號(hào)時(shí),輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間存在一定的延遲時(shí)間,不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器輸入、輸出延遲時(shí)間相差很大。

光耦-實(shí)用技巧

 

雙向可控硅光電耦合器
光耦以光信號(hào)為媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的耦合與傳遞,輸入與輸出在電氣上完全隔離,具有抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)。對(duì)于既包括弱電控制部分,又包括強(qiáng)電控制部分的工業(yè)應(yīng)用測(cè)控系統(tǒng),采用光耦隔離可以很好地實(shí)現(xiàn)弱電強(qiáng)電的隔離,達(dá)到抗干擾目的。但是,使用光耦隔離需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題:

①光耦直接用于隔離傳輸模擬量時(shí),要考慮光耦的非線性問(wèn)題;
②光耦隔離傳輸數(shù)字量時(shí),要考慮光耦的響應(yīng)速度問(wèn)題;
③如果輸出有功率要求的話,還得考慮光耦的功率接口設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1:光電耦合器非線性的克服

光電耦合器的輸入端是發(fā)光二極管,因此,它的輸入特性可用發(fā)光二極管的伏安特性來(lái)表示;輸出端是光敏三極管,因此光敏三極管的伏安特性就是它的輸出特性。由此可見,光電耦合器存在著非線性工作區(qū)域,直接用來(lái)傳輸模擬量時(shí)精度較差。

解決方法之一,利用2個(gè)具有相同非線性傳輸特性的光電耦合器,T1和T2,以及2個(gè)射極跟隨器A1和A2組成。如果T1和T2是同型號(hào)同批次的光電耦合器,可以認(rèn)為他們的非線性傳輸特性是完全一致的,即K1(I1)=K2(I1),則放大器的電壓增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=(R3/R2)[K1(I1)/K2(I1)]=R3/R2。由此可見,利用T1和T2電流傳輸特性的對(duì)稱性,利用反饋原理,可以很好的補(bǔ)償他們?cè)瓉?lái)的非線性。

另一種模擬量傳輸?shù)慕鉀Q方法,就是采用VFC(電壓頻率轉(zhuǎn)換)方式?,F(xiàn)場(chǎng)變送器輸出模擬量信號(hào)(假設(shè)電壓信號(hào)),電壓頻率轉(zhuǎn)換器將變送器送來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖序列,通過(guò)光耦隔離后送出。在主機(jī)側(cè),通過(guò)一個(gè)頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將脈沖序列還原成模擬信號(hào)。此時(shí),相當(dāng)于光耦隔離的是數(shù)字量,可以消除光耦非線性的影響。這是一種有效、簡(jiǎn)單易行的模擬量傳輸方式。

當(dāng)然,也可以選擇線性光耦進(jìn)行設(shè)計(jì),如精密線性光耦TIL300,高速線性光耦6N135/6N136。線性光耦一般價(jià)格比普通光耦高,但是使用方便,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單;隨著器件價(jià)格的下降,使用線性光耦將是趨勢(shì)。

2:提高光電耦合器的傳輸速度

當(dāng)采用光耦隔離數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),光電耦合器的傳輸特性,即傳輸速度,往往成為系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)傳輸速率的決定因素。在許多總線式結(jié)構(gòu)的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中,為了防止各模塊之間的相互干擾,同時(shí)不降低通訊波特率,我們不得不采用高速光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊之間的相互隔離。常用的高速光耦有6N135/6N136,6N137/6N138。但是,高速光耦價(jià)格比較高,導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本提高。這里介紹兩種方法來(lái)提高普通光耦的開關(guān)速度。

由于光耦自身存在的分布電容,對(duì)傳輸速度造成影響,光敏三極管內(nèi)部存在著分布電容Cbe和Cce。由于光耦的電流傳輸比較低,其集電極負(fù)載電阻不能太小,否則輸出電壓的擺幅就受到了限制。但是,負(fù)載電阻又不宜過(guò)大,負(fù)載電阻RL越大,由于分布電容的存在,光電耦合器的頻率特性就越差,傳輸延時(shí)也越長(zhǎng)。

用2只光電耦合器T1,T2接成互補(bǔ)推挽式電路,可以提高光耦的開關(guān)速度。當(dāng)脈沖上升為“1”電平時(shí),T1截止,T2導(dǎo)通。相反,當(dāng)脈沖為“0”電平時(shí),T1導(dǎo)通,T2截止。這種互補(bǔ)推挽式電路的頻率特性大大優(yōu)于單個(gè)光電耦合器的頻率特性。

此外,在光敏三極管的光敏基極上增加正反饋電路,這樣可以大大提高光電耦合器的開關(guān)速度。通過(guò)增加一個(gè)晶體管,四個(gè)電阻和一個(gè)電容,實(shí)驗(yàn)證明,這個(gè)電路可以將光耦的最大數(shù)據(jù)傳輸速率提高10倍左右。

3:光耦的功率接口設(shè)計(jì)

耦合器
微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中,經(jīng)常要用到功率接口電路,以便于驅(qū)動(dòng)各種類型的負(fù)載,如直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、各種電磁閥等。這種接口電路一般具有帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出電流大、工作電壓高的特點(diǎn)。工程實(shí)踐表明,提高功率接口的抗干擾能力,是保證工業(yè)自動(dòng)化裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

就抗干擾設(shè)計(jì)而言,很多場(chǎng)合下,既能采用光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng),也能采用繼電器隔離驅(qū)動(dòng)。一般情況下,對(duì)于那些響應(yīng)速度要求不很高的啟停操作,我們采用繼電器隔離來(lái)設(shè)計(jì)功率接口;對(duì)于響應(yīng)時(shí)間要求很快的控制系統(tǒng),采用光電耦合器進(jìn)行功率接口電路設(shè)計(jì)。這是因?yàn)槔^電器的響應(yīng)延遲時(shí)間需幾十ms,而光電耦合器的延遲時(shí)間通常都在10us之內(nèi),同時(shí)采用新型、集成度高、使用方便的光電耦合器進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì),可以達(dá)到簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),降低散熱的目的。

對(duì)于交流負(fù)載,可以采用光電可控硅驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),例如TLP541G,4N39。光電可控硅驅(qū)動(dòng)器,特點(diǎn)是耐壓高,驅(qū)動(dòng)電流不大,當(dāng)交流負(fù)載電流較小時(shí),可以直接用它來(lái)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí),可以外接功率雙向可控硅。其中,R1為限流電阻,用于限制光電可控硅的電流;R2為耦合電阻,其上的分壓用于觸發(fā)功率雙向可控硅。當(dāng)需要對(duì)輸出功率進(jìn)行控制時(shí),可以采用光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器,例如MOC3010。

光耦-產(chǎn)品檢測(cè)

 

1、用萬(wàn)用表判斷好壞,斷開輸入端電源,用R×1k檔測(cè)1、2腳電阻,正向電阻為幾百歐,反向電阻幾十千歐,3、4腳間電阻應(yīng)為無(wú)限大。1、2腳與3、4腳間任意一組,阻值為無(wú)限大,輸入端接通電源后,3、4腳的電阻很小。調(diào)節(jié)RP,3、4間腳電阻發(fā)生變化,說(shuō)明該器件是好的。注:不能用R×10k檔,否則導(dǎo)致發(fā)射管擊穿。

2、簡(jiǎn)易測(cè)試電路,當(dāng)接通電源后,LED不發(fā)光,按下SB,LED會(huì)發(fā)光,調(diào)節(jié)RP、LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化,說(shuō)明被測(cè)光電耦合器是好的。

光耦-應(yīng)用場(chǎng)合

 

光纖耦合器
由于光耦種類繁多,結(jié)構(gòu)獨(dú)特,優(yōu)點(diǎn)突出,因而其應(yīng)用十分廣泛,主要應(yīng)用以下場(chǎng)合:

(1)在邏輯電路上的應(yīng)用
光電耦合器可以構(gòu)成各種邏輯電路,由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比晶體管好,因此,由它構(gòu)成的邏輯電路更可靠。

(2)作為固體開關(guān)應(yīng)用
在開關(guān)電路中,往往要求控制電路和開關(guān)之間要有很好的電隔離,對(duì)于一般的電子開關(guān)來(lái)說(shuō)是很難做到的,但用光電耦合器卻很容易實(shí)現(xiàn)。

(3)在觸發(fā)電路上的應(yīng)用
將光電耦合器用于雙穩(wěn)態(tài)輸出電路,由于可以把發(fā)光二極管分別串入兩管發(fā)射極回路,可有效地解決輸出與負(fù)載隔離地問(wèn)題。

(4)在脈沖放大電路中的應(yīng)用
光電耦合器應(yīng)用于數(shù)字電路,可以將脈沖信號(hào)進(jìn)行放大。

(5)在線性電路上的應(yīng)用
線性光電耦合器應(yīng)用于線性電路中,具有較高地線性度以及優(yōu)良地電隔離性能。

(6)特殊場(chǎng)合的應(yīng)用
光電耦合器還可應(yīng)用于高壓控制,取代變壓器,代替觸點(diǎn)繼電器以及用于A/D電路等多種場(chǎng)合。

光耦-發(fā)展現(xiàn)狀

 

光耦
日本光電耦合器的市場(chǎng)雖不太大,但卻以40%的年增長(zhǎng)率增大,其主要原因是每一個(gè)程序控制器里都要用到20~30個(gè)甚至更多的光電耦合器。現(xiàn)在,光電耦合器已顯示出一種朝大容量和高速度方向發(fā)展的明顯趨勢(shì)。美、日兩國(guó)生產(chǎn)的光電耦合器以紅外發(fā)光二極管和光敏器件管組成的器件為主,該類器件大約占整個(gè)美、日兩國(guó)生產(chǎn)的全部光電耦合器的60%左右。因?yàn)檫@種類型的器件不僅電流傳輸效率高(一般為7~30%),而且響應(yīng)速度比較快(2~5μs),因而能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合要求。日本橫河電機(jī)公司用GaAsP紅外發(fā)光二極管作輸入端,PIN光電二極管作接收端制成的三種高速光電耦合器的絕緣電壓都在3000伏以上,其中5082—43610型超高速數(shù)字光電耦合器和5082—4361型高共模抑制型光電耦合器的響應(yīng)速度均可達(dá)到10Mb/s,它們的電流傳輸效率高達(dá)60%以上。美國(guó)莫托羅拉公司生產(chǎn)的4N25、4N26、4N27型光電耦合器屬于三極管輸出型光電耦合器[2],這種光電耦合器具有很高的輸入、輸出絕緣性能,其頻率響應(yīng)可達(dá)300kHz,而開關(guān)時(shí)間只有幾微秒。

日本電氣公司(NEC)生產(chǎn)的高速光電耦合器中,PS2101型光電耦合器是一種通用的四腳扁平組件,它采用砷鋁鎵紅外發(fā)光二極管和硅光電晶體管組合而成,并將其封裝4×4.4×2立方毫米的體積之內(nèi),其響應(yīng)速度為10μs。而PS2041和PS2042型光電耦合器則是將砷鋁鎵發(fā)光二極管和光電晶體管集成在同一襯底上的六腳封裝組件,它們的大小為7.08×7.6×3.5立方毫米,響應(yīng)時(shí)間為0.3μs。

中國(guó)國(guó)內(nèi)有關(guān)單位投入大量人力物力也研究和開發(fā)了各種光電耦合器件。如上海半導(dǎo)體器件八廠、上海無(wú)線電十七廠等。而重慶光電技術(shù)研究所為了適應(yīng)市場(chǎng)需要研制出了一種由高速響應(yīng)發(fā)光器件和邏輯輸出型光接收放大器組成的厚膜集成雙路高速高增益電耦合器。這種光電耦合器的輸入端由兩只GaAIAs側(cè)面發(fā)光管組成,其輸出端由兩只Si—PIN光電探測(cè)器以及兩個(gè)高速高增益線性放大電路組成。除此之外,重慶光電技術(shù)研究所還研制出了高速高壓光電耦合器、GG2150I型射頻信號(hào)光電耦合器、GG2060I型高壓脈沖測(cè)量光電耦合器、GH1204U型高壓光傳輸光電耦合器以及GH1201Y型和GOHQ-I型光電耦合器等。

光耦-典型應(yīng)用

 

光耦
1.用作固體繼電器
采用光電耦合器作固體繼電器具有體積小、耦合密切、驅(qū)動(dòng)功率小、動(dòng)作速度快、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。圖3所示是一個(gè)光電耦合器用作固體繼電器的實(shí)際電路圖,它的左半部分電路可用于將輸入的電信號(hào)Vi變成光電耦合器內(nèi)發(fā)光二極管發(fā)光的光信號(hào);而右半部分電路則通過(guò)光電耦合器內(nèi)的光敏三極管再將光信號(hào)還原成電信號(hào),所以這是一種非常好的電光與光電聯(lián)合轉(zhuǎn)換器件。光電耦合器的電流傳輸比為20%,耐壓為150V,驅(qū)動(dòng)電流在8~20mA之間。在實(shí)際使用中,由于它沒有一般電磁繼電器常見的實(shí)際接點(diǎn),因此不存在接觸不良和燃弧打火等現(xiàn)象,也不會(huì)因受外力或機(jī)械沖擊而引起誤動(dòng)作。所以,它的性能比較可靠,工作十分穩(wěn)定。

2.光電耦合器在電話保安裝置中應(yīng)用
為了防止電話線路被并機(jī)竊用或電話機(jī)被盜用通話,可以利用光電耦合器來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的電話保安電路,由VD1~VD4組成極性轉(zhuǎn)換電路。由于在將本保安器接入電話線路中時(shí),不需要分清電話線路反饋電壓的極性,因此,使用該保安器可以給安裝帶來(lái)很大的方便。

3.用光電耦合器代替音頻變壓器
在線性電路中,兩級(jí)放大器之間常用音頻變壓器作耦合。這種耦合的缺點(diǎn)是會(huì)在變壓器鐵芯片中損耗掉一部分功率,并可能造成某些失真。而如果選用光電耦合器來(lái)代替音頻變壓器就可以克服上述這些缺點(diǎn)。當(dāng)輸入信號(hào)Vi經(jīng)三極管BG1、BG2前級(jí)放大之后,驅(qū)動(dòng)光電耦合器左邊的LED發(fā)光,并被右邊的光敏管全部吸收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào),此信號(hào)經(jīng)后級(jí)電路BG3放大,并由該管的發(fā)射極通過(guò)電容器C3后輸出一個(gè)不失真的放大信號(hào)V0。由于該電路將前后兩級(jí)放大器之間完全隔離,因而杜絕了地環(huán)路可能引起的干擾。同時(shí)由于該電路還具有消噪功能,因此避免了信號(hào)的失真。整個(gè)電路的總增益可望達(dá)到20dB以上,帶寬約120kHz。

光耦-產(chǎn)品展示

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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