光耦的工作原理及應(yīng)用

1、光耦合器的壓力及應(yīng)用光耦合器 （opticalcoupler，英文縮寫(xiě)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。工作原理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，

2、 所以，它在各種電路中得1553b 耦合器線纜接頭到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、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

3、通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件 ，可以大大提高計(jì)算機(jī)工作的可靠性。優(yōu)點(diǎn)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，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)光耦影響，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(kāi)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(kāi)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。種類光電耦合

4、器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。檢測(cè)示意圖非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開(kāi)關(guān)信號(hào)的傳輸，不適合于傳輸模擬量。常用的4n 系列光耦屬于非線性光耦。線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號(hào)時(shí)性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制。常用的線性光耦是pc817a c 系列。開(kāi)關(guān)電源中常用的光耦是線性光耦。如果使用非線性光耦，有可能使振蕩波形變壞，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)寄生振蕩，使數(shù)千赫的振蕩頻率被數(shù)十到數(shù)百赫的低頻振蕩依次為號(hào)調(diào)制。由此產(chǎn)生的后果是對(duì)彩電，彩顯，vcd ， dcd等等，將在圖像畫(huà)面上產(chǎn)生干擾。同時(shí)電源帶負(fù)載能力下降。在彩電，顯示器 等開(kāi)關(guān)電源維修中如果光耦

5、損壞，一定要用線性光耦代換。常用的4 腳線性光耦有pc817a-c。 pc111 tlp521 等常用的六腳線性光耦有：lp632 tlp532 pc614 pc714 ps2031等。常用的4n25 4n26 4n35 4n36是不適合用于開(kāi)關(guān)電源中的，因?yàn)檫@4 種光耦均屬于非線性光耦。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?？梢园匆韵路椒ㄟM(jìn)行分類：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。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

6、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(mén)電路輸出型，其中包括門(mén)電路輸出型，施密特 觸發(fā)輸出型，三態(tài)門(mén)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(kāi)關(guān)輸出型（導(dǎo)通電阻 小余 10 ）。g、 功率 輸出型（igbt/mosfet 等輸出）。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，以及光纖傳輸型光耦等。按 傳輸信號(hào)分，可分為數(shù)字型光電耦合器（oc門(mén)輸出型，圖騰柱輸出型及三態(tài)門(mén)電路輸出型等）和線性光電耦合

7、器（可分為低漂移型，高線性型，寬帶 型，單電源型，雙電源型等）。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）。按通道分，可分為單通道，雙通道和多通道光電耦合器。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）。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）。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)光電耦合的主要特點(diǎn)如下：原理示意圖1. 輸入和輸出端之間絕緣，其絕緣電阻一般都大于100

8、00m ，耐壓一般可超過(guò)1kv，有的甚至可以達(dá)到10kv 以上。2. 由于光接收器只能接受光源的信息，反之不能，所以信號(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。性能特點(diǎn)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)

9、，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(kāi)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1012 ）、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

10、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(kāi)關(guān)電源，尤其是數(shù)字開(kāi)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。光纖耦合器光耦合器的技術(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

11、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-

12、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（ ctr= ic/ if) 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(kāi)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)。技術(shù)參數(shù)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