光电耦合器及其应用

光电耦合器及其应用［作者：佚名转贴自：未知点击数：933更新时间：2006-3-31【字体：A】光电耦合器，是近几年发展起来的一种半导体光电器件，由于它具有体积小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽及无触点输入与输出在电气上完全隔离等特点，被广泛地应用在电子技术领域及工业自动控制领域中，它可以代替继电器、变压器、斩波器等，而用于隔离电路、开关电路、数模转换、逻辑电路、过流保护、长线传输、高压控制及电平匹配等。为使读者了解与应用光电耦合器，今介绍几种光电耦合器件及应用电路，供大家参考与开拓。1．器件选择（1）三极管输出型光电耦合器三极管输出型光电耦合器电路如图46—1中（a）所示，它是由两部分组成的。其中，1、2端为输入端，通常由发光器件构成；4、5、6端接一只光敏三极管构成输出端，当接收到发射端发出的红外光后，在三极管集电极中便有电流输出。图46-1三极管输出型光电耦合器的特点，是具有很高的输入输出绝缘性能，频率响应可达300kHz，开关时间数微秒。（2）可控硅输出型光耦合器可控硅输出型光耦合器的电路如图46?中（b）所示。该器件为六脚双列式封装。当1、2端加入输入信号后，发射管发出的红外光被接在4、5、6脚的光敏可控硅接收，使其导通。它可应用在低电压电子电路控制高压交流回路的开启。（3）光耦合的可控硅开关驱动器图46—2中（a）为光敏双向开关器件；图46?中（b）为过零控制电路及光敏双向开关器件组合体。它们的工作原理是：利用输入端红外光控制输出端的光敏双向开关导通，进而触发外接双向可控硅导通，达到控制负载接入交流220V回路的目的。图中（a）为非过零控制，图中（b）为过零控制。本驱动器有非常好的输入与输出绝缘性，可构成固态继电器的控制电路，其输出的控制功率由可控允许功率决定。图46-2（4）达林顿管输出的光检测器达林顿管输出的光检测器如图46?中（a）所示。它是由两只管子组成复合管，具有很高的电流放大能力，形成下一级或负载的驱动电流，有较强的光检测灵敏度。（5）数字电路光耦合器数字电路光耦合器电路如图46?中（b）所示。光耦合器输出为施密特触发电路形式，其特点是响应速度快、数字逻辑可靠，应用于计算机接口、数控电源及电动机控制中。（6）双向开关触发器输出的光检测器图46—3中的（c）为双向开关触发器输出的光检测器电路。该图为三端器件，内部是光敏双向开关器件，收到红外光线后，双向开关器件导通，触发外接可控硅导通，使负载接入220V回路中。图46-32．应用电路（1）开关电路对于开关电路，往往要求控制电路和开关电路之间要有很好的电隔离，这对于一般的电子开关来说是很难做到的，但采用光电耦合器就很容易实现了。图46?中（a）所示电路就是用光电耦合器组成的简单开关电路。在图中，当无脉冲信号输入时，三极管BG处于截止状态，发光二极管无电流流过不发光，则a、b两端电阻非常大，相当于开关“断开”。当输入端加有脉冲信号时，BG导通，发光二极管发光，则a、b两端电阻变得很小，相当于开关“接通”。故称无信号时开关不通，为常开状态。图46—4中（b）所示电路则为“带闭”状态，因为无信号输入时，虽BG截止，但发光二极管有电流通过而发光，使a、b图46-4两端处于导通状态，相当于开关“接通”。当有信号输入时，BG导通，由于BG的集电结压降在0．3V以下，远小于发光二极管的正向导通电压，所以发光二极管无电流流过不发光，则a、b两端电阻极大，相当于开关“断开”，故称“常闭”式。可见，开关a、b端在电路中不受电位高低的限制，但在使用中应满足a端电位为正，b端为负，并使U&ab＞3V为好，同时还应注意Uab应小于光电三极管的BVceo。依据图46—4的原理，光电耦合器可以组成如图46—5中（a）、（b）等多种形式。图46-5图中（a）为单刀双掷开关电路，其中外接二极管D的作用，是保证输入正脉冲信号时“od”组接通，“ob”组关断。图中（b）为双刀双掷开关电路，无输入信号时，BG截止，“ob”与“od”组断开，“oa”与“oc”组接通；BG导通（即有信号输入时），“ob”与“od”组接通，而“oa”与“oc”组断开。它们适于自动控制和遥控设备中使用。（2）光耦合的可控硅开关电路图46—6中（a）所示电路为光耦合器构成的可控硅开关电路。可控硅SCR的触发电压取自电阻R，其大小由通过光电三极管的电流决定，直接由输入电压控制。该电路简单，控制端与输出端有可靠的电隔离。图46-6图中（b）所示电路，为控制负载为纯电阻（如白炽灯泡）的开关电路，图中R1的阻值由下式确定：R1＝V/1．2A，1．2A为双向开关的额定电流。当主电网电压为220V时，V＝/2·220=308V，则R1=308/1．2=250Ω．所以，可控硅SCR的规格应依R1的大小进行选择。当开关电路的负载为感性负载（如电动机等），则由于流过感性负载（线圈）的电流与电压的相位不同，需增加相应元件，方能保证开关电路的正常工作，如图46?所示。图中双向可控硅SCR的触发电流，是由R3与C的不同数值而决定的，见表46—1。表46—1IG、R3及三者关系表/IG(Ma)/R3(kΩ)/C(μF)/15/2.4/0.1/30/1.2/0.2/50/0.8/0.3/图46—7的开关电路，特别适于遥控时选用。图46-7（3）用于双稳态输出的光耦合电路图46—8中（a）所示电路，为光电耦合器控制的双稳态输出开关电路，它的特点是由于光电耦合开关接在两管的发射极回路上，故能有效地解决输出与负载间的隔离问题。图46-8（a）图46—8中（b）所示电路为光电耦合开关的施密特电路。当输入电压U1为低电平时，光电三极管C、e间呈高电阻，BG1导通，BG2截止，则输出电压U0为低电平；当输入电压U1大于鉴幅值时，光电三极管c、e间呈低电阻，则BG1截止，BG2导通，输出的电压U0为高电平。调节电阻R3，即改变鉴幅电平。图46-8（b）（4）电平转换电路对于不同电平的转换电路或输入、输出电路的电位需要分开时，采用光电耦合器就显得十分方便了。中图46—9的（a）与（b）图示电路，就是5V电源的TTL集成电路与15V电源的HTL集成电路，相互连接进行电平转换的基本电路。图46-9图（a）中，TTL门电路导通时，即输出低电平，发光二极管导通，光电三极管输出高电平；TTL门电路截止时，发光二极管截止，光电三极管输出低电平。图（b）中，则是利用TTL截止输出高电平，发光二极管导通，光电三极管输出低电平；TTL导通输出低电平，发光二极管截止，光电三极管输出高电平。在进行具体应用时，因CMOS集成电路在低电平时的电流只有1～2mA，难以直接驱动所接的负载，故一般需加一级三极管放大电路来驱动。（5）高压稳压电路串联型稳压电路，比较放大管需选用耐压高的三极管，若利用光电耦合器的输入与输出间绝缘良好的特点，便可实现高压控制。图46—10中的（a）与（b）所示的电路，就是利用光电耦合器的高压稳压电路。图46-10图（a）中，当输出电压因某种原因导致升高时，则BG5的偏压增加，发光二极管的正向电流增大，使光电三极管集电结电压减小，即引起调整管BG1发射结电压下降，其集电结电压上升，从而使原来升高的输出电压减小，保持输出电压的稳定。BG3管为限流保护电路。光电耦合器是工作在放大状态的。图（b）的工作原理与图（a）相同。光耦合器的技术特性与应用添加到我的生意宝[04年03月10日]浏览次数：107781.概述光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。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。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。十几年来，新型光耦合器不断涌现，满足了各种光控制的要求。其应用范围已扩展到计测仪器，精密仪器，工业用电子仪器，计算机及其外部设备、通信机、信号机和道路情报系统，电力机械等领域。这里侧重介绍该器件的工作特性，驱动和输出电路及部分实际应用电路。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。下面分别介绍光耦合器的工作原理及检测方法。2.光耦合器的性能及类型用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）、耐压高(2.5KV左右)，故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外，因其输入电阻小（约10Ω），对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。事实上，光耦合器是一种由光电流控制的电流转移器件，其输出特性与普通双极型晶体管的输出特性相似，因而可以将其作为普通放大器直接构成模拟放大电路，并且输入与输出间可实现电隔离。然而，这类放大电路的工作稳定性较差，无实用价值。究其原因主要有两点：一是光耦合器的线性工作范围较窄，且随温度变化而变化；二是光耦合器共发射极电流传输系数β和集电极反向饱和电流ICBO(即暗电流)受温度变化的影响明显。因此，在实际应用中，除应选用线性范围宽、线性度高的光耦合器来实现模拟信号隔离外，还必须在电路上采取有效措施，尽量消除温度变化对放大电路工作状态的影响。从光耦合器的转移特性与温度的关系可以看出，若使光耦合器构成的模拟隔离电路稳定实用，则应尽量消除暗电流（ICBO）的影响，以提高线性度，做到静态工作点IFQ随温度的变化而自动调整，以使输出信号保持对称性，使输入信号的动态范围随温度变化而自动变化，以抵消β值随温度变化的影响，保证电路工作状态的稳定性。2.1光耦合器的类型光耦合器有管式、双列直插式和光导纤维式等封培育形式，其种类达数十种。光耦合器的种类达数十种，主要有通用型（又分无基极引线和基极引线两种）、达林顿型、施密特型、高速型、光集成电路、光纤维、光敏晶闸管型（又分单向晶闸管、双向晶闸管）、光敏场效应管型。此外还有双通道式（内部有两套对管）、高增益型、交-直流输入型等等。国外生产厂家有英国ISOCOM公司等，国内厂家的苏州半导体总厂等。2.2线性光耦合器的产品分类线性光耦合器的典型产品及主要参数见表1，这些光耦均以光敏三极管作为接收管表1典型线性光耦合器的主要参数产品型号CTR/%V（BR）CE0/V生产厂封装型式PC816A80～16070SharpDZP-4基极未引出PC817A80～16035SharpSF