光电耦合器的原理及应用

光电耦合器原理及应用随着半导体技术和光电子学的发展，一种能有效地隔离噪音和抑制干扰的新型半导体器件——光电耦合器于1966年问世了。光电耦合器的优点是体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、能隔离噪音、工作温度宽，输入输出之间电绝缘，单向传输信号及逻辑电路易连接等。光电耦合器按光接收器件可分为有硅光敏器件（光敏二极管、雪崩型光敏二极管、PIN光敏二极管、光敏三极管等）、光敏可控硅和光敏集成电路。把不同的发光器件和各种光接收器组合起来，就可构成几百个品种系列的光电耦合器，因而，该器件已成为一类独特的半导体器件。其中光敏二极管加放大器类的光电耦合器随着近年来信息处理的数字化、高速化以及仪器的系统化和网络化的发展，其需求量不断增加。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。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。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。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。1光电耦合器的结构特点光电耦合器的主要结构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，光接收器件由于光敏效应而在光照后产生光电流并由输出端输出。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。光电耦合器的封装形式一般有管形、双列直插式和光导纤维连接三种。光电耦合的主要特点如下：●输入和输出端之间绝缘，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。●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。●由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电流电压信号。因此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。●容易和逻辑电路配合。●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。●无触点、寿命长、体积小、耐冲击。2应用2.1用作固体继电器光电耦合器是一种将发光二极管和光敏三极管组装在一起的新颖光电器件，它采用光信号来传递信息，从而使电路的输入与电气上处于完全隔离的状态，这种信息传递方式是所有采用变压器和继电器作隔离来进行信号传递的一般解决方案所不能相比的。由于光电耦合器具有可单向传递信息、通频带宽、寄生反馈小、消噪能力强、抗电磁干扰性能好等特点，因而无论在数字电路还是在模拟电路中均得到了越来越广泛的应用。采用光电耦合器作固体继电器具有体积小、耦合密切、驱动功率小、动作速度快、工作温度范围宽等优点。图3所示是一个光电耦合器用作固体继电器的实际电路图，它的左半部分电路可用于将输入的电信号Vi变成光电耦合器内发光二极管发光的光信号；而右半部分电路则通过光电耦合器内的光敏三极管再将光信号还原成电信号，所以这是一种非常好的电光与光电联合转换器件。图中所用的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。2.2光电耦合器在电话保安装置中应用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，其实隔电路如图4所示。图中，由VD1～VD4组成极性转换电路。由于在将本保安器接入电话线路中时，不需要分清电话线路反馈电压的极性，因此，使用该保安器可以给安装带来很大的方便。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，电路处在正常的监控状态。同时K-2也处在断开位置，电子报警蜂鸣器不发声。一旦有并机窃用或电话机被盗用时，线路中的馈电电压下降到6～10V，由于该6～10V的电压经VD1～VD4整流后不能使VD击穿，因此将不能亮IC输入端的发光管，这将使输出端由导通转为截止而使阻值呈现无穷大，进而使V的基极通过电阻R3获得基流而导通，继电器吸合使K-1触点闭合，电阻R1被并接到电话线路中而使线路中的电压进一步下降到3伏以下，使电话不能被并机窃用，同时电话机因电压不正常而不能工作，从而起到了防止电话线路被并机窃用或电话机被盗用的目的。与此同时，K-2闭合，接通电子蜂鸣器电源，使之发出报警声。并将电子蜂鸣器外壳上的两个发光二极管点亮发光。如果电话户主接打电话，只需按一下SB使其断开，即切断保安器的供电电源即可。该电话保安器的IC可选用4N25、4N36等型号的光电耦合器。继电器K可选用工作电压为直流6伏的JRX—12F等型号的继电器。为缩小机壳体积，电池可选用6伏叠层电池。SB为常闭型按纽开关。B可选择FMQ—27型、FMQ—35型电子蜂鸣器，其余参数均可按图中标注来选用。2.3用光电耦合器代替音频变压器在线性电路中，两级放大器之间常用音频变压器作耦合。这种耦合的缺点是会在变压器铁芯片中损耗掉一部分功率，并可能造成某些失真。而如果选用光电耦合器来代替音频变压器就可以克服上述这些缺点。目前，利用光电耦合器代替音频变压器的应用电路有多种形式，图5所示是比较实用的一种。当输入信号Vi经三极管BG1、BG2前级放大之后，驱动光电耦合器左边的LED发光，并被右边的光敏管全部吸收并转换成电信号，此信号经后级电路BG3放大，并由该管的发射极通过电容器C3后输出一个不失真的放大信号V0。由于该电路将前后两级放大器之间完全隔离，因而杜绝了地环路可能引起的干扰。同时由于该电路还具有消噪功能，因此避免了信号的失真。栍个电路的总增益可望达到20dB以上，带宽约120kHz。另外，利用光电耦合器还可以构成与门、或门、与非门等逻辑电路，以及隔离固体开关电路、双稳压电路，斩波器和差分放大电路等多种电路。2.4光电耦合器分类由于光电耦合器的品种和类型非常多，在光电子DATA手册中，其型号超过上千种，通常可以按以下方法进行分类：按光路径分可分为外光路光电耦合器（又称光电断续检测器）和内光路光电耦合器。外光路光电耦合器又分为透过型和反射型光电耦合器。按输出形式分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）。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。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）。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）。按通道分可分为单通道，双通道和多通道光电耦合器。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）。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）。2.5结论光电耦合器在多种电子设备中的应用非常广泛。随着数字通信技术的迅速发展以及光隔离器和固体继电器等自动控制部件在机械工业中应用的不断扩大，特别是微处理机在各个领域中的应用推广（有时一台微机上的用量可达十几个甚至上百个）和产品性能的逐步提高，光电耦合器的应用市场将日益扩大，同时，其社会交流和经济交流也一定会十分显著。今后，光电耦合器将向高速化、高性能，小体积，轻重量的方向发展。平时在挂机状态下?线路中的??∂或??∂馈电压?交换机型号不同时?该馈电压也有所不同?经∂⁄?∗∂⁄?整流!″?限流!齐纳二极管∂⁄稳压后?使♥≤的输入端发光管点亮?导致♥≤输出端的受光器件转为导通状态而使晶体管∂呈截止状态?继电器↔不工作?控制线路中的触点↔??断开?″?不接入电话线路中?电路处在正常的监控状态∀同时↔??也处在断开位置?电子报警蜂鸣器不发声∀