光電耦合器的原理及應(yīng)用

1、光電耦合器原理及應(yīng)用隨著半導(dǎo)體技術(shù)和光電子學(xué)的發(fā)展，一種能有效地隔離噪音和抑制干擾的新型半導(dǎo)體器件光電耦合器于1966年問(wèn)世了。光電耦合器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、能隔離噪音、工作溫度寬，輸入輸出之間電絕緣，單向傳輸信號(hào)及邏輯電路易連接等。光電耦合器按光接收器件可分為有硅光敏器件（光敏二極管、雪崩型光敏二極管、PIN光敏二極管、光敏三極管等）、光敏可控硅和光敏集成電路。把不同的發(fā)光器件和各種光接收器組合起來(lái)，就可構(gòu)成幾百個(gè)品種系列的光電耦合器，因而，該器件已成為一類(lèi)獨(dú)特的半導(dǎo)體器件。其中光敏二極管加放大器類(lèi)的光電耦合器隨著近年來(lái)信息處理的數(shù)字化、高速化以及儀器的系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)

2、化的發(fā)展，其需求量不斷增加。工作原理在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。基本工作特性（以光敏三極管為例）A、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?xún)?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。B、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(chēng)為暗電流，一般

3、很小。當(dāng)IF0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。C、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(kāi)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。1光電耦合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)光電耦合器的主要結(jié)構(gòu)是把發(fā)光器件和光接收器

4、件組裝在一個(gè)密閉的管殼內(nèi)，然后利用發(fā)光器件的管腳作輸入端，而把光接收器的管腳作為輸出端。當(dāng)在輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器件發(fā)光。這樣，光接收器件由于光敏效應(yīng)而在光照后產(chǎn)生光電流并由輸出端輸出。從而實(shí)現(xiàn)了以“光”為媒介的電信號(hào)傳輸，而器件的輸入和輸出兩端在電氣上是絕緣的。這樣就構(gòu)成了一種中間通過(guò)光傳輸信號(hào)的新型半導(dǎo)體電子器件。光電耦合器的封裝形式一般有管形、雙列直插式和光導(dǎo)纖維連接三種。光電耦合的主要特點(diǎn)如下：輸入和輸出端之間絕緣，其絕緣電阻一般都大于1010，耐壓一般可超過(guò)1kV，有的甚至可以達(dá)到10kV以上。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

5、不會(huì)影響輸入端。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。容易和邏輯電路配合。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。無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、體積小、耐沖擊。2 應(yīng)用2.1用作固體繼電器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(lái)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(lái)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

6、、消噪能力強(qiáng)、抗電磁干擾性能好等特點(diǎn)，因而無(wú)論在數(shù)字電路還是在模擬電路中均得到了越來(lái)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(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。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(méi)有一般電磁繼電器常見(jiàn)的實(shí)際接點(diǎn)，因此不存在接觸不良和燃弧打

7、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。2.2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，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(lái)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

8、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(kāi)，R1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(kāi)位置，電子報(bào)警蜂鳴器不發(fā)聲。一旦有并機(jī)竊用或電話機(jī)被盜用時(shí)，線路中的饋電電壓下降到610V，由于該6100V的電壓經(jīng)VD1VD4整流后不能使VD擊穿，因此將不能亮IC輸入端的發(fā)光管，這將使輸出端由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止而使阻值呈現(xiàn)無(wú)窮大，進(jìn)而使V的基極通過(guò)電阻R3獲得基流而導(dǎo)通，繼電器吸合使K-1觸點(diǎn)閉合，電阻R1被并接到電話線路中而使線路中的電壓進(jìn)一步下降到期伏以下，使電話不能被并機(jī)竊用，同時(shí)電話機(jī)因電壓不正常而不能工作，從而起到了防止電話線路被并機(jī)竊用或電話機(jī)被盜用的目的。

9、與此同時(shí)，K-2閉合，接通電子蜂鳴器電源，使之發(fā)出報(bào)警聲。并將電子蜂鳴器外殼上的兩個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)亮發(fā)光。如果電話戶主接打電話，只需按一下SB使其斷開(kāi)，即切斷保安器的供電電源即可。該電話保安器的IC可選用4N25、4N36等型號(hào)的光電耦合器。繼電器K可選用工作電壓為直流6伏的JRX12F等型號(hào)的繼電器。為縮小機(jī)殼體積，電池可選用6伏疊層電池。SB為常閉型按紐開(kāi)關(guān)。B可選擇FMQ27型、FMQ35型電子蜂鳴器，其余參數(shù)均可按圖中標(biāo)注來(lái)選用。2.3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

10、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)。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(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。栍個(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(mén)、或門(mén)、與非門(mén)等邏輯電路，以及隔離

11、固體開(kāi)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。2.4光電耦合器分類(lèi)由于光電耦合器的品種和類(lèi)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(lèi)：按光路徑分可分為外光路光電耦合器（又稱(chēng)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(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，

12、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515V）和高電源電壓型光電耦合器（一般大于30