光???耦合器知識大全

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  光電耦合器*概述

  光電耦合器(optical coupler,英文縮寫為OC)是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉換器件。它由發光源和受光器兩部分組成。把發光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內,彼此間用透明絕緣體隔離。發光源的引腳為輸入端,受光器的引腳為輸出端,常見的發光源為發光二極管,受光器為光敏二極管、光敏三極管

  光電耦合器對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用,所以,它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類*多、用途*廣的光電器件之一。光電耦合器的種類較多,常見有光電二極管型、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)。

  光耦合器一般由三部分組成:光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管(LED),使之發出一定波長的光,被光探測器接收而產生光電流,再經過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉換,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,電信號傳輸具有單向性等特點,因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。

  光電耦合器是一種發光器件和光敏器件組成的光電器件。它能實現電—光—電信號的變換,并且輸入信號與輸出信號是隔離的。目前極大多數的光耦輸入部分采用砷化鎵紅外發光二極管,輸出部分采用硅光電二極管、硅光電三極管及光觸發可控硅。這是因為峰值波長900~940nm的砷化鎵紅外發光二極管能與硅光電器件的響應峰值波長相吻合,可獲得較高的信號傳輸效率。

  光電耦合器*工作原理

  在光電耦合器輸入端加電信號使發光源發光,光的強度取決于激勵電流的大小,此光照射到封裝在一起的受光器上后,因光電效應而產生了光電流,由受光器輸出端引出,這樣就實現了電一光一電的轉換。

  光電耦合器*特性

  以光敏三極管為例:

  1、共模抑制比很高

  在光電耦合器內部,由于發光管和受光器之間的耦合電容很小(2pF以內)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。

  2、輸出特性

  光電耦合器的輸出特性是指在一定的發光電流IF下,光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關系,當IF=0時,發光二極管不發光,此時的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流,一般很小。當IF>0時,在一定的IF作用下,所對應的IC基本上與VCE無關。IC與IF之間的變化成線性關系,用半導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。其測試連線如圖2,圖中D、C、E三根線分別對應B、C、E極,接在儀器插座上。

  3、光電耦合器可作為線性耦合器使用。

  在發光二極管上提供一個偏置電流,再把信號電壓通過電阻耦合到發光二極管上,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狀態,傳輸脈沖信號。在傳輸脈沖信號時,輸入信號和輸出信號之間存在一定的延遲時間,不同結構的光電耦合器輸入、輸出延遲時間相差很大。

  光電耦合器*分類

  由于光電耦合器的品種和類型非常多,在光電子DATA手冊中,其型號超過上千種,通常可以按以下方法進行分類:

  按光路徑分

  可分為外光路光電耦合器(又稱光電斷續檢測器)和內光路光電耦合器。外光路光電耦合器又分為透過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,互補輸出型等。

  c、達林頓三極管輸出型,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,施密特觸發輸出型,三態門電路輸出型等。

  e、低導通輸出型(輸出低電平毫伏數量級)。

  f、光開關輸出型(導通電阻小余10Ω)。

  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。

  按傳輸信號分

  可分為數字型光電耦合器(OC門輸出型,圖騰柱輸出型及三態門電路輸出型等)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)。

  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)。

  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)。

  光電耦合器*優點

  光耦合器的主要優點是:信號單向傳輸,輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離,輸出信號對輸入端無影響,抗干擾能力強,工作穩定,無觸點,使用壽命長,傳輸 效率高。光耦合器是70年代發展起來產新型器件,現已廣泛用于電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔 離 、脈沖放大電路、數字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。在單片開關電源中,利用線性光耦合器可構 成光耦反饋電路,通過調節控制端電流來改變占空比,達到精密穩壓目的。

  (1) 能夠有效抑制接地回路的噪聲,消除地干擾,使信號現場與主控制端在電氣上完 全隔離,避免了主控制系統受到意外損壞。

  (2) 可以在不同電位和不同阻抗之間傳輸電信號,且對信號具有放大和整形等功能, 使得實際電路設計大為簡化。

  (3) 開關速度快,高速光電耦合器的響應速度到達ns數量級,極大的拓展了光電耦合 器在數字信號處理中的應用。

  (4) 體積小,器件多采用雙列直插封裝,具有單通道、雙通道以及多達八通道等多種 結構,使用十分方便。

  (5) 可替代變壓器隔離,不會因觸點跳動而產生尖峰噪聲,且抗震動和抗沖擊能力強。

  (6) 高線性型光電耦合器除了用于電源監測等,還被用于醫用設備,能有效地保護病 人的人生安全。

  光電耦合器*抗干擾技術

  光電耦合器之所以在傳輸信號的同時能有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾,使通道上的信號噪聲比大為提高,主要有以下幾方面的原因: (1)光電耦合器的輸入阻抗很小,只有幾百歐姆,而干擾源的阻抗較大,通常為105~106Ω。據分壓原理可知,即使干擾電壓的幅度較大,但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電壓會很小,只能形成很微弱的電流,由于沒有足夠的能量而不能使二極管發光,從而被抑制掉了。

  (2)光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯系,也沒有共地;之間的分布電容極小,而絕緣電阻又很大,因此回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去,避免了共阻抗耦合的干擾信號的產生。

  (3)光電耦合器可起到很好的安全保障作用,即使當外部設備出現故障,甚至輸入信號線短接時,也不會損壞儀表。因為光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。

  (4)光電耦合器的響應速度極快,其響應延遲時間只有10μs左右,適于對響應速度要求很高的場合。

  光電耦合器*作用

  (1) 在邏輯電路上的應用 光電耦合器可以構成各種邏輯電路,由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比 晶體管好,因此,由它構成的邏輯電路更 可靠。

  (2) 作為固體開關應用 在開關電路中,往往要求控制電路和開關之間要有很好的電隔離,對于一般的電 子開關來說是很難做到的,但用光電耦合 器卻很容易實現。

  (3) 在觸發電路上的應用 將光電耦合器用于雙穩態輸出電路,由于可以把發光二極管分別串入兩管發射極 回路,可有效地解決輸出與負載隔離地問 題。

  (4) 在脈沖放大電路中的應用 光電耦合器應用于數字電路,可以將脈沖信號進行放大。

  (5) 在線性電路上的應用 線性光電耦合器應用于線性電路中,具有較高地線性度以及優良地電隔離性能。

  (6) 特殊場合的應用 光電耦合器還可應用于高壓控制,取代變壓器,代替觸點繼電器以及用于A/D電路 等多種場合。

  光電耦合器*應用

  1 微機接口電路中的光電隔離

  微機有多個輸入端口,接收來自遠處現場設備傳來的狀態信號,微機對這些信號處理后,輸出各種控制信號去執行相應的操作。在現場環境較惡劣時,會存在較大的噪聲干擾,若這些干擾隨輸入信號一起進入微機系統,會使控制準確性降低,產生誤動作。因而,可在微機的輸入和輸出端,用光耦作接口,對信號及噪聲進行隔離。典型的光電耦合電路如圖2所示。

  該電路主要應用在"A/D轉換器"的數字信號輸出,及由CPU發出的對前向通道的控制信號與模擬電路的接口處,從而實現在不同系統間信號通路相聯的同時,在電氣通路上相互隔離,并在此基礎上實現將模擬電路和數宇電路相互隔離,起到抑制交叉串擾的作用。

  對于線性模擬電路通道,要求光電耦合器必須具有能夠進行線性變換和傳輸的特性,或選擇對管,采用互補電路以提高線性度,或用V/P變換后再用數字光耦進行隔離。

  2 功率驅動電路中的光電隔離

  在微機控制系統中,大量應用的是開關量的控制,這些開關量一般經過微機的I/O輸出,而I/O的驅動能力有限,一般不足以驅動一些點磁執行器件,需加接驅動接口電路,為避免微機受到干擾,須采取隔離措施。如晶閘管所在的主電路一般是交流強電回路,電壓較高,電流較大,不易與微機直接相連,可應用光耦合器將微機控制信號與晶閘管觸發電路進行隔離電路。

  在馬達控制電路中,也可采用光耦來把控制電路和馬達高壓電路隔離開。馬達靠MOSFET或IGBT功率管提供驅動電流,功率管的開關控制信號和大功率管之間需隔離放大級。在光耦隔離級一放大器級一大功率管的連接形式中,要求光耦具有高輸出電壓、高速和高共模抑制。

  3 遠距離的隔離傳送

  在計算機應用系統中,由于測控系統與被測和被控設備之間不可避免地要進行長線傳輸,信號在傳輸過程中很易受到干擾,導致傳輸信號發生畸變或失真,另外,在通過較長電纜連接的相距較遠的設備之間,常因設備間的地線電位差,導致地環路電流,對電路形成差模干擾電壓。為確保長線傳輸的可靠性,可采用光電耦合隔離措施,將2個電路的電氣連接隔開,切斷可能形成的環路,使他們相互獨立,提高電路系統的抗干擾性能。若傳輸線較長,現場干擾嚴重,可通過兩級光電耦合器將長線完全"浮置"起來,

  長線的"浮置"去掉了長線兩端間的公共地線,不但有效消除了各電路的電流經公共地線時所產生噪聲電壓形成相互竄擾,而且也有效地解決了長線驅動和阻抗匹配問題;同時,受控設備短路時,還能保護系統不受損害。

  4 過零檢測電路中的光電隔離

  零交叉,即過零檢測,指交流電壓過零點被自動檢測進而產生驅動信號,使電子開關在此時刻開始開通。現代的零交叉技術已與光電耦合技術相結合。有一種為一種單片機數控交流調壓器中可使用的過零檢測電路。

  220V交流電壓經電阻R1限流后直接加到2個反向并聯的光電耦合器GD1,GD2的輸入端。在交流電源的正負半周,GD1和GD2分別導通,U0輸出低電平,在交流電源正弦波過零的瞬間,GD1和GD2均不導通,U0輸出高電平。該脈沖信號經非門整形后作為單片機的中斷請求信號和可控硅的過零同步信號。

  光電耦合器*選型指南

  在設計光耦光電隔離電路時必須正確選擇光耦合器的型號及參數,選取原則如下:

  (1)由于光電耦合器為信號單向傳輸器件,而電路中數據的傳輸是雙向的,電路板的尺寸要求一定,結合電路設計的實際要求,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%。因為當CTR<500%時,光耦中的LED就需要較大的工作電流(>5.0 mA),才能保證信號在長線傳輸中不發生錯誤,這會增大光耦的功耗;

  (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,光耦開關速度過慢,無法對輸入電平做出正確反應,會影響電路的正常工作。

  (4)推薦采用線性光耦。其特點是CTR值能夠在一定范圍內做線性調整。設計中由于電路輸入輸出均是一種高低電平信號,故此,電路工作在非線性狀態。而在線性應用中,因為信號不失真的傳輸,所以,應根據動態工作的要求,設置合適的靜態工作點,使電路工作在線性狀態。 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,也使得設計的成本大大增加。

  光電耦合器*使用注意事項

  (1) 在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源,若兩端共用一個電源,則光電耦合器的隔離作用將失去意義。

  (2) 當用光電耦合起來隔離輸入輸出通道室,必須對所有的信號(包括數字量信號、控制量信號、狀態信號)全部隔離,使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯系,否則這種隔離是沒有意義的。

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