光電耦合器的原理及應(yīng)用

1、光電耦合器原理及應(yīng)用隨著半導體技術(shù)和光電子學的發(fā)展，一種能有效地隔離噪音和抑制干擾的新型半導體器件光電耦合器于1966年問世了。光電耦合器的優(yōu)點是體積小、壽命長、無觸點、抗干擾能力強、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，就可構(gòu)成幾百個品種系列的光電耦合器，因而，該器件已成為一類獨特的半導體器件。其中光敏二極管加放大器類的光電耦合器隨著近年來信息處理的數(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使發(fā)光源發(fā)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(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換?；竟ぷ魈匦裕ㄒ怨饷羧龢O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。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IF=0時，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般

3、很小。當IF0時，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。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，輸入信號和輸出信號之間存在一定的延遲時間，不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器輸入、輸出延遲時間相差很大。1光電耦合器的結(jié)構(gòu)特點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。當在輸入端加電信號時，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、雙列直插式和光導纖維連接三種。光電耦合的主要特點如下：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1kV，有的甚至可以達到10kV以上。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不會出現(xiàn)反饋現(xiàn)象，其輸出信號也

5、不會影響輸入端。由于發(fā)光器件（砷化鎵紅外二極管）是阻抗電流驅(qū)動性器件，而噪音是一種高內(nèi)阻微電流電壓信號。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。光電耦合器件的時間常數(shù)通常在微秒甚至毫微秒極。無觸點、壽命長、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行信號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、抗電磁干擾性能好等特點，因而無論在數(shù)字電路還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)動功率小、動作速度快、工作溫度范圍寬等優(yōu)點。圖3所示是一個光電耦合器用作固體繼電器的實際電路圖，它的左半部分電路可用于將輸入的電信號Vi變成光電耦合器內(nèi)發(fā)光二極管發(fā)光的光信號；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還原成電信號，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)動電流在820mA之間。在實際使用中，由于它沒有一般電磁繼電器常見的實際接點，因此不存在接觸不良和燃弧打

7、火等現(xiàn)象，也不會因受外力或機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。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竊用或電話機被盜用通話，可以利用光電耦合器來設(shè)計一個簡單實用的電話保安電路，其實隔電路如圖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，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。平時在掛機狀態(tài)下，線路中的48V或60V饋電壓（交換機型號不同時，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)光管點亮，導致IC輸出端的受光器件轉(zhuǎn)為導通狀態(tài)而使晶

8、體管V呈截止狀態(tài)，繼電器K不工作，控制線路中的觸點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K-2也處在斷開位置，電子報警蜂鳴器不發(fā)聲。一旦有并機竊用或電話機被盜用時，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，這將使輸出端由導通轉(zhuǎn)為截止而使阻值呈現(xiàn)無窮大，進而使V的基極通過電阻R3獲得基流而導通，繼電器吸合使K-1觸點閉合，電阻R1被并接到電話線路中而使線路中的電壓進一步下降到期伏以下，使電話不能被并機竊用，同時電話機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竊用或電話機被盜用的目的。

9、與此同時，K-2閉合，接通電子蜂鳴器電源，使之發(fā)出報警聲。并將電子蜂鳴器外殼上的兩個發(fā)光二極管點亮發(fā)光。如果電話戶主接打電話，只需按一下SB使其斷開，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等型號的繼電器。為縮小機殼體積，電池可選用6伏疊層電池。SB為常閉型按紐開關(guān)。B可選擇FMQ27型、FMQ35型電子蜂鳴器，其余參數(shù)均可按圖中標注來選用。2.3用光電耦合器代替音頻變壓器在線性電路中，兩級放大器之間常用音頻變壓器作耦合。這種耦合的缺點是會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、選用光電耦合器來代替音頻變壓器就可以克服上述這些缺點。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所示是比較實用的一種。當輸入信號Vi經(jīng)三極管BG1、BG2前級放大之后，驅(qū)動光電耦合器左邊的LED發(fā)光，并被右邊的光敏管全部吸收并轉(zhuǎn)換成電信號，此信號經(jīng)后級電路BG3放大，并由該管的發(fā)射極通過電容器C3后輸出一個不失真的放大信號V0。由于該電路將前后兩級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。同時由于該電路還具有消噪功能，因此避免了信號的失真。栍個電路的總增益可望達到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

11、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。2.4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(xù)檢測器）和內(nèi)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(fā)輸出型，

12、三態(tài)門電路輸出型等e、低導通輸出型（輸出低電平毫伏數(shù)量級）。 f、光開關(guān)輸出型（導通電阻小余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）。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515V）和高電源電壓型光電耦合器（一般大于30