光电控制资料

§4.2.光电控制§4.2.1光电继电器§4.2.2光电遥控§4.2.3光纤开关§4.2.1光电继电器由光电信息转换器件控制通与断开的继电器称为光电继电器。可用于自动控制、自动计数、自动防务等。一、原理继电器是低压电路控制高压电器通与不通的联接器件。继电器结构及工作原理如图4.2.1-1所示。继电器的电路符号如图4.2.1-2所示。图4.2.1-1继电器原理图4.2.1-2继电器符号•光电继电器是用光控制继电器工作，从原理上讲，可归纳为亮通和暗通电路两类。1．亮通光电控制电路当有光线照射于光电器件上时，使继电器有足够的电流而动作，这种电路称为亮通光电控制电路，也叫明通控制电路。最简单的亮通电路如图4.2.1-3所示。图4.2.1-3亮通光电控制电路2．暗通光电控制电路要说明的是，亮通和暗通是相对而言的，以上分析都是假定继电器高压开关工作在常开状态，如工作在常闭状态，则亮通和暗通也就反过来了。如果光电继电器不受光照时能使继电器动作，而受光照时继电器释放，则称它为暗通控制电路。图4.2.1-4暗通光电控制电路继电器的优点是低压区与高压区完全绝缘，缺点是金属触电开、关时会打出火花，造成干扰和损坏。二、用电子开关替代继电器电子开关的种类很多，但一般的电子开关都适合在低压区工作，如晶体三极管、场效应管、光电耦合器和门电路等，适合高压区工作的电子开关有单向可控硅、双向可控硅和高压场效应管等。三、双向可控硅触发电路使用双向可控硅时，主电压（高压）加在T1和T2之间，控制电压（低压）加在G和T2之间。正向触发电压和反向触发电压都能使可控硅导通。1．双向可控硅基本结构图4.2.1-5双向可控硅的结构、符号及型号可控硅二极管可用两个不同极性（P-N-P和N-P-N）晶体管来模拟，如图G1所示。当可控硅的栅极悬空时，BG1和BG2都处于截止状态，此时电路基本上没有电流流过负载电阻RL，当栅极输入一个正脉冲电压时，BG2导通，使BG1的基极电位下降，BG1因此开始导通，BG1的导通使得BG2的基极电位进一步升高，BG1的基极电位进一步下降，经过这一个正反馈过程使BG1和BG2进入饱和导通状态。补充：问题：观察可控硅的电流流向特性。电路从截止状态进入导通状态后，这时栅极就算没有触发脉冲电路，由于正反馈的作用将保持导通状态不变——可控硅一旦触发后，门极对它将失去控制作用。如果此时在阳极和阴极加上反向电压，由于BG1和BG2均处于反向偏置状态，所以电路很快截止，另外如果加大负载电阻RL的阻值使电路电流减少，BG1和BG2的基极电流也将减少，当减少到某一个值时由于电路的正反馈作用，电路将很快从导通状态翻转为截止状态，我们称这个电流为维持电流。在实际应用中，我们可通过一个开关来短路可控硅的阳极和阴极，从而达到可控硅的关断。补充：2.双向可控硅特性曲线3．双向可控硅的触发方式工作在第一象限有二种触发方式1＋和1－，工作在第三象限有二种触发方式3＋和3－。1＋触发形式：T1对T2加正电压，G对T2加正电压；•1－触发形式：T1对T2加正电压，G对T2加负电压；•3＋触发形式：T1对T2加负电压，G对T2加正电压；•3－触发形式：T1对T2加负电压，G对T2加负电压；双向可控硅有四种触发方式，图4.2.1-6双向可控硅特性曲线通态通态断态UI维持电流IHO双向可控硅使用时，一般采用第一和第三象限的组合。4．双向可控硅触发电路图4.2.1-7双向可控硅触发电路四、光电继电器应用1．路灯、霓虹灯的自动控制电路简单的小功率路灯自动控制如图4.2.1-8(a)的电路。如要求路灯控制灵敏，可采用图4.2.1-8(b)的电路。图4.2.1-8路灯自动控制电路常闭防止闪电等短时干扰的路灯控制电路如图4.2.1-9所示图4.2.1-9防干扰的路灯控制电路延时，防闪电干扰常开常闭印刷机纸张监控器可以自动监测每次印刷的纸张是否为一张，如果不是一张则发出报警讯响，停止印刷，待整理好纸张后，再开始工作。2．印刷机纸张监控器图4.2.1-10纸张监控器原理图F1、F2为带施密特触发器(具有特殊功能的非门)的门电路3．光控电焊眼罩传统电焊眼罩3．光控电焊眼罩图4.2.1-11光控电焊眼罩原理图施密特触发器液晶屏RD1只接受环境光照射RD2还接受电焊光照射4.汽车车灯全自动控制器系统功能：（1）白天，光电传感器接收到较强的强度基本不变的光信号，车灯关闭；（2）晚上在城市道路或有路灯的马路上，光电传感器接收到近似于正弦变化规律的光信号，车灯开启在弱光档；（3）晚上在没有路灯的马路上，光电传感器接收不到或接收到很弱的光信号，车灯开启在强光档；（4）晚上两车交会时，光电传感器接到的光信号强度逐渐增大或强度突然大幅减小（对方已关闭强光灯），车灯开启在弱光档，至接收不到光信号时，重新开启强光档。整个控制系统受汽车电门钥匙控制，只要汽车发动，即进入自动控制状态。•光电继电器应用广泛，如自动开启自来水装置、煤气灶熄火自动保护器、冲床安全保护装置、光电防盗报警器、光电防火报警器、自动干手器。•原理与教材中介绍的内容相似，同学们可以自行设计和开发实用的光电控制产品。图4.2.1-12车灯亮度全自动控制原理图图4.2.2-1光电遥控原理图§4.2.2光电遥控一、光电遥控原理IR：红外辐射（InfraredRadiation）（含有控制功能的编码信号）•光电遥控原理如图4.2.2-1所示。这里，一个手握的光电遥控发射机可发射一束较宽的光束，这光束里含有控制功能的编码信号，此编码信号被远置的光电遥控接收机检测并被译码，通过接收机的输出端，被译码的信号通过处理后就可触发外部的装置，从而实现光电遥控的目的。二、光电遥控框图图4.2.2-2光电遥控发射机框图•图4.2.2-3示出了光电遥控接收机的原理框图图4.2.2-3光电遥控接收机框图•此图描绘了一个基本的六比特多通道系统。在这里，信号波形是由一个宽度为8mS的重复性的数据帧组成，•3．光电遥控中的编码波形图4.2.2-4光电遥控编码波形每个数据帧包含了七比特的脉冲编码信息，而且每个比特均调制在大约30kHz的频率上。第一个比特的持续时间固定为1ms，它为译码器提供帧的同步；后面的六个数据比特均出现在1ms的时间间隔上而且每个比特都给出一种“开/关”的控制形式，宽度小于0.25ms的脉冲表示一种“关”或逻辑“0”的状态，而宽度大于0.25ms的脉冲则表示一种“开”或逻辑“1’”的状态。在实际中，这六比特的编码波形可用来提供6路通道的同时遥控，也可用来提供64路通道的非同时遥控。490/922光电遥控系统。采用SL490集成芯片的光电发射机电路如图4.2.2-5所示4．光电遥控装置举例图4.2.2-5采用SL490的发射机电路•采用SL486集成芯片的光电接收机电路如图4.2.2-6所示图4.2.2-6采用SL486的放大电路•采用ML922集成芯片的接收机译码电路如图4.2.2-7所示。图4.2.2-7采用ML922的译码电路§4.2.3光纤开关一、光纤开关原理光纤是光学纤维的简称。光学纤维是一种带涂料的透明细丝，通常由芯料（玻璃）加涂层（玻璃）组成。图4.2.3-1光纤传光原理光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。图4.2.3-2是各种直接型光纤开关的原理示意图，图（a）中，当手按下开关按钮时，光路被阻断，光线不通，当手离开按钮时，光路又接通，这样，输出端就可检测到信号的变化，从而发出控制信号。图（b）中是光纤双向拨动开关，当开关拨向A时，光纤就与1号光纤接通，当开关拨向B时，光纤就与2号线接通。二、光纤开关的类型1．直接型光纤开关图4.2.3-2直接型光纤开关原理（a）（b）2．间接型光纤开关输出端的光电接收装置只要测出所接收能量的变化，并加以比较判别，最后送出控制信号。图4.2.3-3是间接型光纤开关的原理示意图，这种开关的光纤是连续的，只是改变其光在传播途中的全反射条件，使光纤输出端的输出能量有所改变，图4.2.3-3间接型光纤开关原理（a）光纤开关寿命长，安全可靠，抗干扰强，尤其适合于潮湿、高温、强电磁干扰等应用场合，这种开关可以完全浸在液体中也能工作，也可安装到远离控制系统的地方，但此开关成本较高。三、光纤开关的特点前沿——微光电机械开关微光电机械开关（MOEMS，Micro-Optical-Electro-MechanicalSystem）通过静电或其他控制力使微镜或光闸产生机械运动，从而改变光的传播方向、实现开关功能。右图所示为二维MOEMS8×8光开关，在芯片上集成了微反射镜阵列，以斜线表示，通过施加静电力控制其旋转，图中有5个微镜处于反射状态。二维MOEMS8×8光开关4x4：4*4这种二维光开关阵列插入损耗小于4dB，开关时间小于10ms。由于受光程损耗的限制，最大可以实现32×32端口。也可采用更先进的三维解决方案，它在N个输入光纤和N个输出光纤之间仅使用2N个微镜，由于每个微镜都有N个可能的位置，从而实现N×N开关阵列，突破二维方案的端口限制，但其驱动结构和监控设备较复杂，成本也随之增加。MOEMS开关可用类似集成电路的工艺成批生产，成本低、竞争力强。由于其特性与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等无关，在损耗、扩展性上优于其他类型，因此MOEMS光开关阵列有可能成为核心光交换器件中的主流。美国Xros公司利用两个相对放置的各有1152个微镜的阵列实现了1152×1152的大型交叉互连，总容量比传统电交叉互连提高了约两个量级。朗讯公司推出的WaveStarLamdaRouter光波长路由器，可实现256×256的光交叉互连，节约25%的运行费用和99%的能耗。目前此类器件的提供商有，台湾东盈LWL，OMM、朗讯、北电、IMM、Cronos、Memscap、Calient等公司。液晶光开关液晶光开关通过电场控制液晶分子的方向实现开关功能。其典型工作原理如图所示。图中在相距一定距离的两平板之间均匀排列着向列相液晶，当没有外加电压时（见图a），向列相液晶的指向大致平行于平板表面，液晶分子与互相垂直的偏振片A、P的夹角均为45°，此时光透过率最大，开关为通状态；当施加外场E时，液晶分子长轴最终平行于外场（见图b），液晶将不影响入射光的偏振特性，此时光的透过率接近于零，开关为断状态；当撤掉外场时，由于表面作用和液晶的弹性作用，液晶分子的排列会恢复到平行于平板表面，从而最终实现开关状态的相互转换。图a图bE磁光效应光开关磁光效应光开关原理是利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而达到切换光路的效果。声光开关声光效应是指声波通过材料产生机械应变，引起材料的折射率周期性变化，形成布拉格光栅，衍射一定波长的输入光的现象。利用声致光栅使光偏转做成光开关。上一张章首下一张结束节首目录4.2光电控制41