光电耦合器件--沈阳工业大学.

光电检测技术SHENYANGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY2§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件一、光电耦合器件：就是发光器件与接收器件组合的一种元件。光电耦合器件发光器件接受器件§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件二、工作原理：在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。1553b耦合器§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件三、光电耦合器的结构特点：光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。光电耦合器就是把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内，然后利用发光器件的管脚作输入端，而把光接收器的管脚作为输出端。当在输入端加电信号时，发光器件发光。这样，光接收器件由于光电导效应而在光照后产生光电流，再经过进一步放大后由输出端输出。从而实现了以“光”为媒介的电信号传输，而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。这样就构成了一种中间通过光传输信号的新型半导体电子器件。发光器件光接收器件输入端输出端§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件光电导效应，又称为光电效应、光敏效应，是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。即光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。在光线作用下，半导体的导电性增加，阻值减低。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件四、技术参数光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压V(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降VCE(sat）。此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。电流传输比CTR是光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件五、基本工作特性（以光敏三极管为例）A、共模抑制比很高在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。共模抑制比：定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比。就是为了说明差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力。电路的对称性决定了被放大后的信号残存共模干扰的幅度，电路对称性越好，其共模抑制比就越大，抑制共模信号（干扰）的能力也就越好。§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件光电耦合器件的输出特性曲线B、输出特性光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。当IF0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件C、光电耦合器可作为线性耦合器使用在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件六、光电耦合的主要特点如下：（1）输入和输出端之间电气绝缘，其绝缘电阻一般都大于1010Ω，耐压一般可超过1kV，有的甚至可以达到10kV以上（2）由于“光”传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。（3）光电耦合器件的共模抑制比很大，所以光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。（4）容易和逻辑电路配合。（5）响应速度快。光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒极。（6）无触点、寿命长、体积小、耐冲击。§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件电气隔离，就是将电源与用电回路作电气上的隔离，即将用电的分支电路与整个电气系统隔离，使之成为一个在电气上被隔离的、独立的不接地安全系统，以防止在裸露导体故障带电情况下发生间接触电危险。在光耦器件中我认为主要作用是减少两个不同电路之间的相互干扰。（不知道对不对）光电耦合器电气隔离作用的建立需要满足一定的外部条件：首先，在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义；其次，当用光电耦合器来隔离输入、输出通道时，必须对所有的信号（包括数位量信号、控制量信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系。§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件七、应用：有时光电耦合器件还可以取代继电器、变压器、斩波器等，目前已经被广泛用于隔离电路、开关电路、数模转换电路、逻辑电路、高压控制、线性放大、电平匹配等单元电路。13§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件光电隔离器光传感器它能在电路之间传送信息，实现电路之间的电气隔离和消除噪声影响用于检测物体的有无形状或位置八、光电耦合器件的分类：⑴按光路径分，可分为内光路光电耦合器（又称光电隔离器）和外光路光电耦合器（又称光电传感器、光电断续检测器）。14§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件（1）光电隔离器：就是把发光器件和光电接收器件组装在同一个管壳中，而且两者的管芯相对、相互靠近；除光路部分外，其他部分完全遮光就构成光电隔离器。（a）双列直插式塑料封装结构（b）金属管壳封装（c）侧面引线对封装结构15§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件光电隔离器的发光器件常采用发光二极管，但接收器可以采用多种。（下一个分类讲到）接收器为光电二极管，被命名为GD-210系列光电耦合器16§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件接收器为光电三极管，被命名为GD-310系列光电耦合器，适合用来驱动交流负载接收器为光电二极管--高速开关三极管组件17§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件接收器为光电三极管--达林顿晶体管组件，适合应用于输出较大电流的场合接收器为光集合电路18§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件（2）光传感器：（透过型与反射型）（a）透过型：透过型光传感器又称光续断器，是将保持一定距离的发光器件相对组装而成。如下图，当物体从两器件之间通过时将引起透射光的通和断，从而判断物体数量的有无。19§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件（b）反射型：把发光器件和光接收器以某一个交叉角度安放在同一方向则组成反射光传感器。1-发光器件2-光电器件3-基座4-被测物体（1）（2）§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件应用：（1）测量物体经过时反射光亮的变化，可检测物体的数目和长度；（2）光编码器，应用于数字控制系统；（3）高速印刷机中作定时和位置控制（4）传真机、复印机中用作对纸的检测或图像色彩浓度的调整§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件⑵按输出形式分，可分为：a、光敏器件输出型，其中包括光敏二极管输出型，光敏三极管输出型，光电池输出型，光可控硅输出型等。b、NPN三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型，互补输出型等。c、达林顿三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型。d、逻辑门电路输出型，其中包括门电路输出型，施密特触发输出型，三态门电路输出型等。e、低导通输出型（输出低电平毫伏数量级）。f、光开关输出型（导通电阻小余10Ω）。g、功率输出型（IGBT/MOSFET等输出）。§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件⑶按封装形式分，可分为同轴型，双列直插型，TO封装型，扁平封装型，贴片封装型，以及光纤传输型等。⑷按传输信号分，可分为数字型光电耦合器（OC门输出型，图腾柱输出型及三态门电路输出型等）和线性光电耦合器（可分为低漂移型，高线性型，宽带型，单电源型，双电源型等）。⑸按速度分，可分为低速光电耦合器（光敏三极管、光电池等输出型）和高速光电耦合器（光敏二极管带信号处理电路或者光敏集成电路输出型）。§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件⑹按通道分，可分为单通道，双通道和多通道光电耦合器。⑺按隔离特性分，可分为普通隔离光电耦合器（一般光学胶灌封低于5000V，空封低于2000V）和高压隔离光电耦合器（可分为10kV，20kV，30kV等）。⑻按工作电压分，可分为低电源电压型光电耦合器（一般5～15V）和高电源电压型光电耦合器（一般大于30V）。24§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件九、光电耦合器件的基本电路（包括驱动和输出两部分）（1）放光二极管的驱动电路：通常有简单驱动、晶体管驱动、场效应管驱动。如下图：a、简单驱动bc、晶体管驱动d、场效应管驱动25§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件（2）输出电路：ab、光电三极管输出电路c、光电二极管-晶体管输出电路d、光电二极管-达林顿管输出电路§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件十、介绍一个芯片TLP641J1、阳极2、阴极6、门极3、所有的集成电路芯片，凡是标着N.C.的脚都是空脚，这样的管脚没有任何内部连接，纯粹是为了接插和焊接的方便而设。§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件十一、双路高速高增益光电耦合器原理图§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件MHM-02A/B双路高速光电耦合器高速光栅隔离器MHM-02型双路高速光栅隔离器（光电耦合器编码器信号转换器编码器信号转换模块）应用于包括微处理器系统TTL与PLC之间数据高速传输转换接口（如解决雷诺德旋转编码器输出与PLC控制器之间转换接口、应用于西门子FM350-2高速计数模块、西门子313C-2DP高速计数通道）、电动机数字光电编码器、光栅尺与PLC控制器之间转换接口、变频器脉冲信号与PLC控制器之间的信号传输、数据输入/输出转换接口、微处理器系统和计算机外设接口、还特别适用于电机自控应用等领域。尤其是能克服工控系统复杂的现场环境下的强干扰，将强电传动执行机构和远程PLC控制网络系统之间电气隔离，排除强电场、强磁场等电气干扰。MHM-02型高速光电耦合模块可以分隔系统和有效保护较为敏感的电路，并且具有脉冲整形功能，有效地提高了系统之间的抗干扰性能，为工业自动化控制系统中的高低电压之间提供一个完全物理隔离的安全接口。内置二路独立隔离器。§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件十二、几种使用电路：（1）光耦控制继电器电路§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件三相固态继电器§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件优点：光电耦合器的电流传输比为20%，耐压为150V，驱动电流在8～20mA之间。在实际使用中，由于它没有一般电磁继电器常见的实际接点，因此不存在接触不良和燃弧打火等现象，也不会因受外力或机械冲击而引起误动作。所以，它的性能比较可靠，工作十分稳定。§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件（2）光电耦合器用于电话保安装置为了防止电话线路被并机窃用或电话机被盗用通话，可以利用光电耦合器来设计一个简单实用的电话保安电路整流电路S§3.6结型光器件的应用实例--光电耦合器件平时在挂机状态下，线路中的48V或60V馈电压（交换机型号不同时，该馈电压也有所不同），经VD1～VD4整流、R2限流、齐纳二极管VD稳压后，使IC的输入端发光管点亮，导致IC输出端的受光器件转为导通状态而使晶体管V呈截止状态，继电器K不工作，控制线路中的触点K-1断开，R1不接入电话线路中，电路处