光電耦合器件應(yīng)用

1、作者：楊遠(yuǎn)乾T1303-320130030302 1.簡介：光電耦合元件(Opto-isolator,或optical coupler，縮寫為OC），亦稱光耦合器或光隔離器以及光電隔離器，簡稱光耦。光電耦合元件是以光作為媒體來傳輸電信號(hào)的一組裝置，其功能是平時(shí)維持電信號(hào)輸入、輸出間有良好的隔離作用，需要時(shí)可以使電信號(hào)通過隔離層的傳遞方式。光電耦合元件可分為類比與數(shù)位兩種，主要由光發(fā)射器和光偵測器組成。兩種元件通常會(huì)整合到同一個(gè)封裝，但它們之間除了光束之外不會(huì)有任何電氣或?qū)嶓w連接。組成結(jié)構(gòu)：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，使之發(fā)出一定波長的光，

2、被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(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，它在長線傳輸資訊中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在電腦數(shù)位通信及即時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加其工作之可靠性。應(yīng)用：光電耦合元件廣泛用于電氣絕緣、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)位儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(

3、SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)電接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦回饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。 晶體管耦合器：具有較高的換能效率，高耐壓性，低輸入驅(qū)動(dòng)能力 高速集成電路輸出耦合器：它有提供高速集成光能力的接收元件，速度為110兆赫茲。 三端雙向可控硅耦合器：這種類型的耦合器主要用來控制AC載荷，例如發(fā)動(dòng)機(jī)和螺線管。 光控繼電器：能轉(zhuǎn)換類比信號(hào)，因?yàn)樵谝粋€(gè)輸出處里裝配一個(gè)MOSFET，有線性輸出特征。 種類：晶體管耦合器：具有較高的換能效率，高耐壓性，低輸入驅(qū)動(dòng)能力高速集成電路輸出耦合器：它有提供高速集成光能力的接收元件，速度為110兆赫茲。

4、三端雙向可控硅耦合器：這種類型的耦合器主要用來控制AC載荷，例如發(fā)動(dòng)機(jī)和螺線管。光控繼電器：能轉(zhuǎn)換類比信號(hào)，因?yàn)樵谝粋€(gè)輸出處里裝配一個(gè)MOSFET，有線性輸出特征。日本光電耦合器的市場雖不太大，但卻以40%的年增長率增大，其主要原因是每一個(gè)程序控制器里都要用到2030個(gè)甚至更多的光電耦合器?，F(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730%），而且響應(yīng)速度比較快（25s），因而能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場合

5、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508243610型超高速數(shù)字光電耦合器和50824361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。在日本電氣公司（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

6、硅光電晶體管組合而成，并將其封裝44.42立方毫米的體積之內(nèi)，其響應(yīng)速度為10s。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7.087.63.5立方毫米，響應(yīng)時(shí)間為0.3s。近幾年來，國內(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、上海無線電十七廠等。而重慶光電技術(shù)研究所為了適應(yīng)市場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SiPIN光電探測器以及兩個(gè)高速高增益線

7、性放大電路組成。圖2所示為其原理電路圖，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。應(yīng)用：光電耦合器是一種將發(fā)光二極管和光敏三極管組裝在一起的新穎光電器件，它采用光信號(hào)來傳遞信息，從而使電路的輸入與電氣上處于完全隔離的狀態(tài)，這種信息傳遞方式是所有采用變壓器和繼電器作隔離來進(jìn)行信號(hào)傳遞的一般解決方案所不能相比的。由于光電耦合器具有可單向傳遞信息、通頻帶寬、寄生反饋小、消噪能力強(qiáng)、抗電磁干擾性能好等特點(diǎn)，因而無論在數(shù)字電路還

8、是在模擬電路中均得到了越來越廣泛的應(yīng)用。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。圖中所用的光電耦合器的電流傳輸比為20%，耐壓為150V，驅(qū)動(dòng)電流在820mA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

9、性能比較可靠，工作十分穩(wěn)定。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設(shè)計(jì)一個(gè)簡單實(shí)用的電話保安電路，其實(shí)隔電路如圖4所示。圖中，由VD1VD4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很大的方便。平時(shí)在掛機(jī)狀態(tài)下，線路中的48V或60V饋電壓（交換機(jī)型號(hào)不同時(shí)，該饋電壓也有所不同），經(jīng)VD1VD4整流、R2限流、齊納二極管VD穩(wěn)壓后，使IC的輸入端發(fā)光管點(diǎn)亮，導(dǎo)致IC輸出端的受光器件轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)而使晶體管V呈截止?fàn)顟B(tài)，繼電器K不工作，控制線路中的觸點(diǎn)K-1斷開，R

10、1不接入電話線路中，電路處在正常的監(jiān)控狀態(tài)。同時(shí)K-2也處在斷開位置，電子報(bào)警蜂鳴器不發(fā)聲。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代替音頻變壓器就可以克服上述這些缺點(diǎn)。目前，利用光電耦合器代替音頻變壓器的應(yīng)用電路有多種形式，圖5所示是比較實(shí)用的一種。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。另外，利用光電耦合器還可以構(gòu)成與門、或門、與非門等邏輯電路，以及隔離固體開關(guān)電路、雙穩(wěn)壓電路，斬波器和差分放大電路等多種電路。結(jié)論光電耦合器在多種電子設(shè)備中的應(yīng)用非常廣泛