光電耦合器件-沈陽工業(yè)大學(xué)

光電檢測技術(shù)

SHENYANGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY2§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件一、光電耦合器件：就是發(fā)光器件與接收器件組合的一種元件。光電耦合器件發(fā)光器件接受器件發(fā)光二極管光電二極管光電三極管光集成電路§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件二、工作原理：在光電耦合器輸入端加電信號使發(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。1553b耦合器§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件三、光電耦合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。光電耦合器就是把發(fā)光器件和光接收器件組裝在一個(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)在輸入端加電信號時(shí)，發(fā)光器件發(fā)光。這樣，光接收器件由于光電導(dǎo)效應(yīng)而在光照后產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后由輸出端輸出。從而實(shí)現(xiàn)了以“光”為媒介的電信號傳輸，而器件的輸入和輸出兩端在電氣上是絕緣的。這樣就構(gòu)成了一種中間通過光傳輸信號的新型半導(dǎo)體電子器件。發(fā)光器件光接收器件輸入端輸出端§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件光電導(dǎo)效應(yīng)，又稱為光電效應(yīng)、光敏效應(yīng)，是光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象。即光電導(dǎo)效應(yīng)是光照射到某些物體上后，引起其電性能變化的一類光致電改變現(xiàn)象的總稱。在光線作用下，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件四、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、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、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)字信號時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)間、延遲時(shí)間和存儲時(shí)間等參數(shù)。

電流傳輸比CTR是光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來表示。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。§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

五、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以內(nèi)）所以共模輸入電壓通過極間耦合電容對輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。共模抑制比：定義為放大器對差模信號的電壓放大倍數(shù)Aud與對共模信號的電壓放大倍數(shù)Auc之比。就是為了說明差分放大電路抑制共模信號及放大差模信號的能力。電路的對稱性決定了被放大后的信號殘存共模干擾的幅度，電路對稱性越好，其共模抑制比就越大，抑制共模信號（干擾）的能力也就越好?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

光電耦合器件的輸出特性曲線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為暗電流，一般很小。當(dāng)IF>0時(shí)，在一定的IF作用下，所對應(yīng)的IC基本上與VCE無關(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。§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

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，再把信號電壓通過電阻耦合到發(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，其輸出電流將隨輸入的信號電壓作線性變化。光電耦合器也可工作于開關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖信號。在傳輸脈沖信號時(shí)，輸入信號和輸出信號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?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

六、光電耦合的主要特點(diǎn)如下：（1）輸入和輸出端之間電氣絕緣，其絕緣電阻一般都大于1010Ω，耐壓一般可超過1kV，有的甚至可以達(dá)到10kV以上（2）由于“光”傳輸?shù)膯蜗蛐?，所以信號從光源單向傳輸?shù)焦饨邮掌鲿r(shí)不會出現(xiàn)反饋現(xiàn)象，其輸出信號也不會影響輸入端。（3）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）無觸點(diǎn)、壽命長、體積小、耐沖擊?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件電氣隔離，就是將電源與用電回路作電氣上的隔離，即將用電的分支電路與整個(gè)電氣系統(tǒng)隔離，使之成為一個(gè)在電氣上被隔離的、獨(dú)立的不接地安全系統(tǒng)，以防止在裸露導(dǎo)體故障帶電情況下發(fā)生間接觸電危險(xiǎn)。在光耦器件中我認(rèn)為主要作用是減少兩個(gè)不同電路之間的相互干擾。（不知道對不對）光電耦合器電氣隔離作用的建立需要滿足一定的外部條件：首先，在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)立的電源，若兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義；其次，當(dāng)用光電耦合器來隔離輸入、輸出通道時(shí)，必須對所有的信號（包括數(shù)位量信號、控制量信號、狀態(tài)信號）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

七、應(yīng)用：

有時(shí)光電耦合器件還可以取代繼電器、變壓器、斬波器等，目前已經(jīng)被廣泛用于隔離電路、開關(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、邏輯電路、高壓控制、線性放大、電平匹配等單元電路。13§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件光電隔離器光傳感器它能在電路之間傳送信息，實(shí)現(xiàn)電路之間的電氣隔離和消除噪聲影響用于檢測物體的有無形狀或位置八、光電耦合器件的分類：⑴按光路徑分，可分為內(nèi)光路光電耦合器（又稱光電隔離器）和外光路光電耦合器（又稱光電傳感器、光電斷續(xù)檢測器）。14§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件（1）光電隔離器：就是把發(fā)光器件和光電接收器件組裝在同一個(gè)管殼中，而且兩者的管芯相對、相互靠近；除光路部分外，其他部分完全遮光就構(gòu)成光電隔離器。（a）雙列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)（b）金屬管殼封裝（c）側(cè)面引線對封裝結(jié)構(gòu)15§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

光電隔離器的發(fā)光器件常采用發(fā)光二極管，但接收器可以采用多種。（下一個(gè)分類講到）

接收器為光電二極管，被命名為GD-210系列光電耦合器16§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

接收器為光電三極管，被命名為GD-310系列光電耦合器，適合用來驅(qū)動交流負(fù)載接收器為光電二極管--高速開關(guān)三極管組件17§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件接收器為光電三極管--達(dá)林頓晶體管組件，適合應(yīng)用于輸出較大電流的場合接收器為光集合電路18§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件（2）光傳感器：（透過型與反射型）（a）透過型：透過型光傳感器又稱光續(xù)斷器，是將保持一定距離的發(fā)光器件相對組裝而成。如下圖，當(dāng)物體從兩器件之間通過時(shí)將引起透射光的通和斷，從而判斷物體數(shù)量的有無。19

§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件（b）反射型：把發(fā)光器件和光接收器以某一個(gè)交叉角度安放在同一方向則組成反射光傳感器。1-發(fā)光器件2-光電器件3-基座4-被測物體（1）（2）§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件應(yīng)用：（1）測量物體經(jīng)過時(shí)反射光亮的變化，可檢測物體的數(shù)目和長度；（2）光編碼器，應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)；（3）高速印刷機(jī)中作定時(shí)和位置控制（4）傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)中用作對紙的檢測或圖像色彩濃度的調(diào)整§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件⑵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）。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）?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件⑶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。⑷按傳輸信號分，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）。⑸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（光敏二極管帶信號處理電路或者光敏集成電路輸出型）。§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件⑹按通道分，可分為單通道，雙通道和多通道光電耦合器。

⑺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）。⑻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）。24§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件九、

光電耦合器件的基本電路（包括驅(qū)動和輸出兩部分）（1）放光二極管的驅(qū)動電路：

通常有簡單驅(qū)動、晶體管驅(qū)動、場效應(yīng)管驅(qū)動。如下圖：a、簡單驅(qū)動bc、晶體管驅(qū)動d、場效應(yīng)管驅(qū)動25§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件（2）輸出電路：ab、光電三極管輸出電路c、光電二極管-晶體管輸出電路d、光電二極管-達(dá)林頓管輸出電路§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件十、介紹一個(gè)芯片TLP641J1、陽極2、陰極6、門極3、所有的集成電路芯片，凡是標(biāo)著N.C.的腳都是空腳，這樣的管腳沒有任何內(nèi)部連接，純粹是為了接插和焊接的方便而設(shè)?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件十一、雙路高速高增益光電耦合器原理圖§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件MHM-02A/B雙路高速光電耦合器高速光柵隔離器

MHM-02型雙路高速光柵隔離器（光電耦合器編碼器信號轉(zhuǎn)換器編碼器信號轉(zhuǎn)換模塊）應(yīng)用于包括微處理器系統(tǒng)TTL與PLC之間數(shù)據(jù)高速傳輸轉(zhuǎn)換接口（如解決雷諾德旋轉(zhuǎn)編碼器輸出與PLC控制器之間轉(zhuǎn)換接口、應(yīng)用于西門子FM350-2高速計(jì)數(shù)模塊、西門子313C-2DP高速計(jì)數(shù)通道）、電動機(jī)數(shù)字光電編碼器、光柵尺與PLC控制器之間轉(zhuǎn)換接口、變頻器脈沖信號與PLC控制器之間的信號傳輸、數(shù)據(jù)輸入/輸出轉(zhuǎn)換接口、微處理器系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外設(shè)接口、還特別適用于電機(jī)自控應(yīng)用等領(lǐng)域。尤其是能克服工控系統(tǒng)復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境下的強(qiáng)干擾，將強(qiáng)電傳動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和遠(yuǎn)程PLC控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間電氣隔離，排除強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場等電氣干擾。MHM-02型高速光電耦合模塊可以分隔系統(tǒng)和有效保護(hù)較為敏感的電路，并且具有脈沖整形功能，有效地提高了系統(tǒng)之間的抗干擾性能，為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的高低電壓之間提供一個(gè)完全物理隔離的安全接口。內(nèi)置二路獨(dú)立隔離器?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件十二、幾種使用電路：（1）光耦控制繼電器電路§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件三相固態(tài)繼電器§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件優(yōu)點(diǎn)：光電耦合器的電流傳輸比為20%，耐壓為150V，驅(qū)動電流在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，也不會因受外力或機(jī)械沖擊而引起誤動作。所以，它的性能比較可靠，工作十分穩(wěn)定?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件（2）光電耦合器用于電話保安裝置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

整流電路S§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

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)型號不同時(shí)，該饋電壓也有所不同），經(jīng)VD1～VD4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，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也處在斷開位置，電子報(bào)警蜂鳴器不發(fā)聲。§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件一旦有并機(jī)竊用或電話機(jī)被盜用時(shí)，線路中的饋電電壓下降到6～10V，由于該6～10V的電壓經(jīng)VD1～VD4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