光電耦合器具體應(yīng)用

光電耦合器具體應(yīng)用

圖1電路中，當(dāng)輸入信號(hào)ui為低電平時(shí)，晶體管V1處于截止?fàn)顟B(tài)，光電耦合器B1中發(fā)光二極管的電流近似為零，輸出端Q11、Q12間的電阻很大，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)"斷開(kāi)";當(dāng)ui為高電平時(shí)，v1導(dǎo)通，B1中發(fā)光二極管發(fā)光，Q11、Q12間的電阻變小，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)"接通".該電路因Ui為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)不通，故為高電平導(dǎo)通狀態(tài).同理，圖2電路中，因無(wú)信號(hào)(Ui為低電平)時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，故為低電平導(dǎo)通狀態(tài).

圖3電路為"與門"邏輯電路。其邏輯表達(dá)式為P=A.B.圖中兩只光敏管串聯(lián)，只有當(dāng)輸入邏輯電平A=1、B=1時(shí)，輸出P=1.同理，還可以組成"或門"、"與非門"、"或非門"等邏輯電路.

電路如圖4所示.這是一個(gè)典型的交流耦合放大電路.適當(dāng)選取發(fā)光回路限流電阻Rl，使B4的電流傳輸比為一常數(shù)，即可保證該電路的線性放大作用。

電路如圖5所示.驅(qū)動(dòng)管需采用耐壓較高的晶體管(圖中驅(qū)動(dòng)管為3DG27)。當(dāng)輸出電壓增大時(shí)，V55

的偏壓增加，B5中發(fā)光二極管的正向電流增大，使光敏管極間電壓減小，調(diào)整管be結(jié)偏壓降低而內(nèi)阻增大，使輸出電壓降低，而保持輸出電壓的穩(wěn)定.

電路如圖6所示。A是四組模擬電子開(kāi)關(guān)(S1~S4):S1，S2，S3并聯(lián)(可增加驅(qū)動(dòng)功率及抗干擾能力)用于延時(shí)電路，當(dāng)其接通電源后經(jīng)R4，B6驅(qū)動(dòng)雙向可控硅VT，VT直接控制門廳照明燈H;S4與外接光敏電阻Rl等構(gòu)成環(huán)境光線檢測(cè)電路。當(dāng)門關(guān)閉時(shí)，安裝在門框上的常閉型干簧管KD受到門上磁鐵作用，其觸點(diǎn)斷開(kāi)，S1，S2，S3處于數(shù)據(jù)開(kāi)狀態(tài)。晚間主人回家打開(kāi)門，磁鐵遠(yuǎn)離KD，KD觸點(diǎn)閉合。此時(shí)9V電源整流后經(jīng)R1向C1充電，C1兩端電壓很快上升到9V，整流電壓經(jīng)S1，S2，S3和R4使B6內(nèi)發(fā)光管發(fā)光從而觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通，VT亦導(dǎo)通，H點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)照明控制作用。房門關(guān)閉后，磁鐵控制KD，觸點(diǎn)斷開(kāi)，9V電源停止對(duì)C1充電，電路進(jìn)入延時(shí)狀態(tài)。C1開(kāi)始對(duì)R3放電，經(jīng)一段時(shí)間延遲后，C1兩端電壓逐漸下降到S1，S2，S3的開(kāi)啟電壓(1.5v)以下，S1，S2，S3恢復(fù)斷開(kāi)狀態(tài)，導(dǎo)致B6截止，VT亦截止，H熄來(lái)，實(shí)現(xiàn)延時(shí)關(guān)燈功能。

對(duì)于開(kāi)關(guān)電路，往往要求控制電路和開(kāi)關(guān)電路之間要有很好的電隔離，這對(duì)于一般的電子開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)是很難做到的，但采用光電耦合器就很容易實(shí)現(xiàn)了。圖1中(a)所示電路就是用光電耦合器組成的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)電路。

在圖1(a)中，當(dāng)無(wú)脈沖信號(hào)輸入時(shí)，三極管BG處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)光二極管無(wú)電流流過(guò)不發(fā)光，則a、b兩端電阻非常大，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)"斷開(kāi)"。當(dāng)輸入端加有脈沖信號(hào)時(shí)，BG導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)光，則a、b兩端電阻變得很小，

圖1 相當(dāng)于開(kāi)關(guān)"接通"。故稱無(wú)信號(hào)時(shí)開(kāi)關(guān)不通，為常開(kāi)狀態(tài)。

圖1中(b)所示電路則為"常閉"狀態(tài)，因?yàn)闊o(wú)信號(hào)輸入時(shí)，雖BG截止，但發(fā)光二極管有電流通過(guò)而發(fā)光，使a、b兩端處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)"接通"。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，BG導(dǎo)通，由于BG的集電結(jié)壓降在0.3V以下，遠(yuǎn)小于發(fā)光二極管的正向?qū)妷?，所以發(fā)光二極管無(wú)電流流過(guò)不發(fā)光，則a、b兩端電阻極大，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)"斷開(kāi)"，故稱"常閉"式。

可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)a、b端在電路中不受電位高低的限制，但在使用中應(yīng)滿足a端電位為正，b端為負(fù)，并使U&ab>3V為好，同時(shí)還應(yīng)注意Uab應(yīng)小于光電三極管的BVceo。

依據(jù)圖1的原理，光電耦合器可以組成如圖2中(a)、(b)等多種形式。

圖2

圖2中(a)為單刀雙擲開(kāi)關(guān)電路，其中外接二極管D的作用，是保證輸入正脈沖信號(hào)時(shí)"oa"組接通，"ob"組關(guān)斷。圖中(b)為雙刀雙擲開(kāi)關(guān)電路，無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，BG截止，"ob"與"od"組斷開(kāi)，"oa"與"oc"組接通;BG導(dǎo)通(即有信號(hào)輸入時(shí))，"ob"與"od"組接通，而"oa"與"oc"組斷開(kāi)。它們適于自動(dòng)控制和遙控設(shè)備中使用。

圖3

圖3中(a)所示電路為光耦合器構(gòu)成的可控硅開(kāi)關(guān)電路。可控硅SCR的觸發(fā)電壓取自電阻R，其大小由通過(guò)光電三極管的電流決定，直接由輸入電壓控制。該電路簡(jiǎn)單，控制端與輸出端有可靠的電隔離。

圖3中(b)所示電路，為控制負(fù)載為純電阻(如白熾燈泡)的開(kāi)關(guān)電路，圖中R1的阻值由下式確定:R1=V/1.2A，1.2A為雙向開(kāi)關(guān)的額定電流。當(dāng)主電網(wǎng)電壓為220V時(shí)，V=/2·220=308V，則R1=308/1.2=250Ω.所以，可控硅SCR的規(guī)格應(yīng)依R1的大小進(jìn)行選擇。

當(dāng)開(kāi)關(guān)電路的負(fù)載為感性負(fù)載(如電動(dòng)機(jī)等)，則由于流過(guò)感性負(fù)載(線圈)的電流與電壓的相位不同，需增加相應(yīng)元件，方能保證開(kāi)關(guān)電路的正常工作，如圖46?所示。

圖中雙向可控硅SCR的觸發(fā)電流，是由R3與C的不同數(shù)值而決定的。

表46-1 IG、R3及三者關(guān)系表

/IG(Ma)/R3(kΩ)/C(μF)

/15/2.4/0.1

/30/1.2/0.2

/50/0.8/0.3/

圖4的開(kāi)關(guān)電路，特別適于遙控時(shí)選用。

圖4

圖5中(a)所示電路，為光電耦合器控制的雙穩(wěn)態(tài)輸出開(kāi)關(guān)電路，它的特點(diǎn)是由于光電耦合開(kāi)關(guān)接在兩管的發(fā)射極回路上，故能有效地解決輸出與負(fù)載間的隔離問(wèn)題。圖5(a)

圖5 (b)

圖5中(b)所示電路為光電耦合開(kāi)關(guān)的施密特電路。當(dāng)輸入電壓U1為低電平時(shí)，光電三極管C、e間呈高電阻，BG1導(dǎo)通，BG2截止，則輸出電壓U0為低電平;當(dāng)輸入電壓U1大于鑒幅值時(shí)，光電三極管c、e間呈低電阻，則BG1截止，BG2導(dǎo)通，輸出的電壓U0為高電平。調(diào)節(jié)電阻R3，即改變鑒幅電平。

圖6

對(duì)于不同電平的轉(zhuǎn)換電路或輸入、輸出電路的電位需要分開(kāi)時(shí)，采用光電耦合器就顯得十分方便了。

中圖6的(a)與(b)圖示電路，就是5V電源的TTL集成電路與15V電源的HTL集成電路，相互連接進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的基本電路。

圖(a)中，TTL門電路導(dǎo)通時(shí)，即輸出低電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通，光電三極管輸出高電平;TTL門電路截止時(shí)，發(fā)光二極管截止，光電三極管輸出低電平。

圖(b)中，則是利用TTL截止輸出高電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通，光電三極管輸出低電平;TTL導(dǎo)通輸出低電平，發(fā)光二極管截止，光電三極管輸出高電平。

在進(jìn)行具體應(yīng)用時(shí)，因CMOS集成電路在低電平時(shí)的電流只有1~2mA，難以直接驅(qū)動(dòng)所接的負(fù)載，故一般需加一級(jí)三極管放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。

圖7

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，比較放大管需選用耐壓高的三極管，若利用光電耦合器的輸入與輸出間絕緣良好的特點(diǎn)，便可實(shí)現(xiàn)高壓控制。

圖7中的(a)與(b)所示的電路，就是利用光電耦合器的高壓穩(wěn)壓電路。

圖(a)中，當(dāng)輸出電壓因某種原因?qū)е律邥r(shí)，則BG5的偏壓增加，發(fā)光二極管的正向電流增大，使光電三極管集電結(jié)電壓減小，即引起調(diào)整管BG1發(fā)射結(jié)電壓下降，其集電結(jié)電壓上升，從而使原來(lái)升高的輸出電壓減小，保持輸出電壓的穩(wěn)定。BG3管為限流保護(hù)電路。光電耦合器是工作在放大狀態(tài)的。圖(b)的工作原理與圖(a)相同。

(1)光電耦合器的定義。光電耦合器是一種把發(fā)光器件和光敏器件封裝在同一殼體內(nèi)， 中間通過(guò)電→光→電的轉(zhuǎn)換來(lái)傳輸電信號(hào)的半導(dǎo)體光電子器件。其中，發(fā)光器件一般都是發(fā)光二極管。 而光敏器件的種類較多，除光電二極管外，還有光敏三極管、光敏電阻、光電晶閘管等。 光電耦合器可根據(jù)不同要求， 由不同種類的發(fā)光器件和光敏器件組合成許多系列的光電耦合器。

(2)光電耦合器結(jié)構(gòu)與原理。光電耦合器主要由三部分組成:光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。 光的發(fā)射部分主要由發(fā)光器件構(gòu)成，發(fā)光器件一般都是發(fā)光二極管，發(fā)光二極管加上正向電壓時(shí)，能將電能轉(zhuǎn)化為光能而發(fā)光，發(fā)光二極管可以用直流、交流、脈沖等電源驅(qū)動(dòng)，但發(fā)光二極管在使用時(shí)必須加正向電壓。光的接收部分主要由光敏器件構(gòu)成，光敏器件一般都是光敏晶體管， 光敏晶體管是利用 PN 結(jié)在施加反向電壓時(shí)，在光線照射下反向電阻由大變小的原理來(lái)工作的，光敏晶體管在使用時(shí)有二個(gè)重要的注意事項(xiàng):

第一、 必須加反向電壓;第二、光敏晶體管管殼必須保持清潔。 光的信號(hào)放大部分主要由電子電路等構(gòu)成。發(fā)光器件的管腳為輸入端，而光敏器件的管腳為輸出端。工作時(shí)把電信號(hào)加到輸入端，使發(fā)光器件的芯體發(fā)光， 而光敏器件受光照后產(chǎn)生光電流并經(jīng)電子電路放大后輸出，實(shí)現(xiàn)電→光→電的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)輸入和輸出電路的電器隔離。由于光電耦合器輸入與輸出電路間互相隔離，且電信號(hào)在傳輸時(shí)具有單向性等優(yōu)點(diǎn)， 因而光電耦合器具有良好的抗電磁波干擾能力和電絕緣能力。

又由于光電耦合器的輸入端是發(fā)光器件，發(fā)光器件是阻抗電流驅(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，光電耦合器件可以很好地抑制干擾并消除噪音。它在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制電路中作為信號(hào)隔離的接口元件可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。 在長(zhǎng)線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大幅度提高信噪比。所以，它在各種電路中得到了廣泛的應(yīng)用。目前已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。

(3)光電耦合器的特點(diǎn) :①光信號(hào)單向傳輸 ，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)反饋，可有效阻斷電路或系統(tǒng)之間的電聯(lián)系，但并不切斷他們之間的信號(hào)傳遞。②隔離性能好，輸入端與輸出端之間完全實(shí)現(xiàn)了電隔離。③光信號(hào)不受電磁波干擾，工作穩(wěn)定可靠。④光發(fā)射器件與光敏器件的光譜匹配十分理想，響應(yīng)速度快，傳輸效率高。 ⑤抗共模干擾能力強(qiáng)，能很好地抑制干擾并消除噪音。 ⑥無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，體積小，耐沖擊能力強(qiáng)。 ⑦易與邏輯電路連接。⑧工作溫度范圍寬，符合工業(yè)和軍用溫度標(biāo)準(zhǔn)。

光電耦合器的測(cè)試

1、用萬(wàn)用表判斷好壞，如圖3，斷開(kāi)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，如圖(4)，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。

具有體積小、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強(qiáng).無(wú)觸點(diǎn)且輸入與輸出在電氣上完全隔離等。

光電耦合器接口電路

光電耦合器(optical coupler，英文縮寫(xiě)為OC)亦稱光電隔離器，簡(jiǎn)稱光耦。光電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。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。

圖1顯示了一個(gè)典型的光電耦合器驅(qū)動(dòng)電路。在該例中，右邊的5V副邊輸出將會(huì)被左邊原邊電路的脈寬調(diào)制器控制。

比較器A1將ZDl(結(jié)點(diǎn)A)的參考電壓和通過(guò)分壓電路R7和R8的輸出電壓進(jìn)行比較，因而控制Q2的導(dǎo)通狀態(tài)，可以定義發(fā)光二極管D1的電流和通過(guò)光耦合在光敏晶體管Q1的集電極電流。然后Q1定義脈沖寬度和輸出電壓，補(bǔ)償任何使輸出電壓改變的傾向。

隨著光電耦合器的使用時(shí)間增加和傳輸比即增益的下降，為了防止控制失靈，給Q2提供充足的驅(qū)動(dòng)電流裕量是很有必要的。 光電耦合器的種類較多，常見(jiàn)有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等。(外形有金屬圓殼封裝，塑封雙列直插等)。

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:

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。

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(kāi)關(guān)輸出型(導(dǎo)通電阻小余10Ω)。

g、功率輸出型(IGBT/MOSFET等輸出)。

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。

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)。

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)。

可分為單通道，雙通道和多通道光電耦合器。

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)。

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)。

在設(shè)計(jì)光耦光電隔離電路時(shí)必須正確選擇光耦合器的型號(hào)及參數(shù)，選取原則如下:

(1)由于光電耦合器為信號(hào)單向傳輸器件，而電路中數(shù)據(jù)的傳輸是雙向的，電路板的尺寸要求一定，結(jié)合電路設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，就要選擇單芯片集成多路光耦的器件;

(2)光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是不小于500%。因?yàn)楫?dāng)CTR<500%時(shí)，光耦中的LED就需要較大的工作電流(>5.0 mA)，才能保證信號(hào)在長(zhǎng)線傳輸中不發(fā)生錯(cuò)誤，這會(huì)增大光耦的功耗;

(3)光電耦合器的傳輸速度也是選取光耦必須遵循的原則之一，光耦開(kāi)關(guān)速度過(guò)慢，無(wú)法對(duì)輸入電平做出正確反應(yīng)，會(huì)影響電路的正常工作。

(4)推薦采用線性光耦。其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。設(shè)計(jì)中由于電路輸入輸出均是一種高低電平信號(hào)，故此，電路工作在非線性狀態(tài)。而在線性應(yīng)用中，因?yàn)樾盘?hào)不失真的傳輸，所以，應(yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)工作的要求，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路工作在線性狀態(tài)。

通常情況下，單芯片集成多路光耦的器件速度都比較慢，而速度快的器件大多都是單路的，大量的隔離器件需要占用很大布板面積，也使得設(shè)計(jì)的成本大大增加。在設(shè)計(jì)中，受電路板尺寸、傳輸速度、設(shè)計(jì)成本等因素限制，無(wú)法選用速度上非常占優(yōu)勢(shì)的單路光耦器件，在此選用TOSHIBA公司的TLP521-4。