光電耦合器件

1、6.4 光電耦合器件 6.4.1 光電耦合器件的結構與電路符號 將發(fā)光器件與光電接收器件組合成一體，制成具有信號傳輸功能的器件稱為光電耦合器件。光電耦合器件的發(fā)光件常用led發(fā)光二極管、ld半導體激光器和微形鎢絲燈等。光電接收器件常用光電二極管、光電三極管、光電池及光敏電阻等。由于光電耦合器件的發(fā)送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相連。因此，在實際應用中它具有許多特點，成為重要的器件。 用來制造光電耦合器件的發(fā)光元件與光電接收元件的種類都很多，因而它具有多種類型和多種封裝形式。本節(jié)僅介紹幾種常見的結構。 1. 光電耦合器件的結構 光電耦合器件的基本結構如圖6-28所示，圖6-28（a）為發(fā)

2、光器件（led）與光電接收器件（光電二極管或光電三極管等）被封裝在黑色樹脂外殼內(nèi)構成光電耦合器件。圖6-28（b）者將發(fā)光器件與光電器件封裝在金屬管殼內(nèi)構成的光電耦合器件。使發(fā)光器件與光電接收器件靠得很近，但不接觸。 光電耦合器件的電路符號如圖6-29所示，圖中的發(fā)光二極管泛指一切發(fā)光器件，圖中的光電二極管也泛指一切光電接收器件。 圖6-30所示為幾種不同封裝的光電耦合器，圖中（a）、（b）、（c）分別為三種不同安裝方式光電發(fā)射器件與光電接收器件分別安裝器件的兩臂上，分離尺寸一般在412mm，分開的目的是要檢測兩臂間是否存在物體，以及物體的運動速度等參數(shù)。這種封裝的器件常被稱為光電開光電開關。

3、關。 圖中（d）反光型光電耦合器，led和光電二極管封裝在一個殼體內(nèi)，兩者發(fā)射光軸同接收光軸夾一銳角，led發(fā)出的光被測物體反射，并被光電二極管接收，構成反光型光電耦合器。 圖中（e）為另一種反光型光電耦合器，led和光電二極管平行封裝在一個殼體內(nèi)，led發(fā)出的光可以在較遠的位置上放置的器件反射到光電二極管的光敏面上。顯然，這種反光型光電耦合器要比成銳角的耦合器作用距離遠。 圖中（f）dip封裝形式的光電耦合器件。這種封裝形式的器件有多種，可將幾組光電耦合器封裝在一片dip中，用作多路信號隔離傳輸。 3. 光電耦合器件的特點 具有電隔離的功能 它的輸入、輸出信號間完全沒有電路的聯(lián)系，所以輸入和

4、輸出回路的電子零位可以任意選擇。絕緣電阻高達1010l012，擊穿電壓高達10025kv，耦合電容小于1pf。 信號傳輸方式 信號傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用。適用于模擬信號和數(shù)字信號。 具有抗干擾和噪聲的能力 它作為繼電器和變壓器使用時，可以使線路板上看不到磁性元件。它不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。 響應速度快響應速度快 即具有耦合特性又具有隔離特性即具有耦合特性又具有隔離特性 它能很容易地把不同電位的兩組電路互連起來，圓滿地完成電平匹配、電平轉(zhuǎn)移等功能； 一般可達微秒數(shù)量級，甚至納秒數(shù)量級。它可傳輸?shù)男盘栴l率在直流至10mhz之間。 實用性強實用性強 具有一般固體器件的

5、可靠性，體積小(一般66mm)，重量輕，抗震，密封防水，性能穩(wěn)定，耗電省，成本低，工作溫度范圍在55+l00之間。 6.4.2 光電耦合器件的特性參數(shù) 光電耦合器件的主要特性為隔離特性與傳輸特性。1.傳輸特性 光電耦合器件的傳輸特性就是輸入與輸出間的特性，它用下列幾個性能參數(shù)來描述。（1）電流傳輸比 在直流工作狀態(tài)下，光電耦合器件的集電極電流ic與發(fā)光二極管的注入電流if之比定義為光電耦合器件的電流傳輸比，用表示。如圖6-31所示為光電耦合器件的輸出特性曲線，在其中部取一工作點q，它所對應的發(fā)光電流為 ifq，對應的集電極電流為icq， 因此該點的電流傳輸比為q=icq/ ifq100% （6

6、-19）如果工作點選在靠近截止區(qū)的q1點時，雖然發(fā)光電流if變化了if，但相應的ic1，變化量卻很小。這樣，值很明顯地要變小。同理，當工作點選在接近飽和區(qū)q3點時，值也要變小。這說明工作點選擇在輸出特性的不同位置時，就具有不同的值。 因此，在傳送小信號時，用直流傳輸比是不恰當?shù)模鴳斢盟x工作點q處的小信號電流傳輸比來計算。這種以微小變量定義的傳輸比稱為交流電流傳輸比。用來表示。即=ic/if100% (6-20) 對于輸出特性線性度做得比較好的光電耦合器件，值很接近值。在一般的線性狀態(tài)使用中，都盡可能地把工作點設計在線性工作區(qū)；對于開關使用狀態(tài)，由于不關心交流與直流電流傳輸比的差別，而且在

7、實際使用中直流傳輸比又便于測量，因此通常都采用直流電流傳輸比。 光電耦合器件的電流傳輸比與三極管的電流放大倍數(shù)都是輸出與輸入電流之比值，但有本質(zhì)的差別。光電耦合器件內(nèi)的輸入電流使發(fā)光二極管發(fā)光，光電耦合器件的輸出電流是光電接收器件（光電二極管或光電三極管）接收到的光產(chǎn)生的光電流，可用if表示，其中與發(fā)光二極管的發(fā)光效率、光敏三極管的增益及二者之間距離等參數(shù)有關的系數(shù)，通常稱為光激發(fā)效率。 圖6-32所示為光電耦合器件的電流傳輸比隨發(fā)光電流if的變化曲線。在if較小時，耦合器件的光電接收器件處于截止區(qū)，因此值較??；當if變大后，光電接收器件處于線性工作狀態(tài)，值將隨if增加，而后，if再增大，反而

8、會變小，因為發(fā)光二極管發(fā)出的光不總與電流成正比。圖6-33是隨環(huán)境溫度的變化曲線。 (2) 輸入與輸出間的寄生電容cfc 這是輸入與輸出端之間的寄生電容。當cfc變大時，會使光電耦合器件的工作頻率下降，也能使其共模抑制比cmrr下降，故后面的系統(tǒng)噪音容易反饋到前面系統(tǒng)中。對于一般的光電耦合器件，其cfc僅僅為幾個pf，一般在中頻范圍內(nèi)都不會影響電路的正常工作，但在高頻電路中就要予以重視了。(3) 最高工作頻率fm 頻率特性分別取決于發(fā)光器件與光電接收器件的頻率特性，由發(fā)光二極管與光電二極管組成的光電耦合器件的頻率響應最高，最高工作頻率fm接近于10mhz，其他組合的頻率響應相應降低。 圖6-3

9、5示出了一個光電耦合器件的頻率曲線。圖中rc為光電耦合器的負載電阻，顯然，最高工作頻率fm與負載電阻值有關。減小負載電阻會使光電耦合器件的最高工作頻率fm增高。 （4）脈沖上升時間tr和 下降時間tf 光電耦合器在脈沖電壓信號的作用下的時間響應特性用輸出端的上升時間tr和下降時間tf描述。如圖6-36所示為典型光電耦合器件的脈沖響應特性曲線。 2.2.隔離特性隔離特性 (1) 輸入與輸出間隔離電壓bvcfo 光電耦合器的輸入（發(fā)光器件）與輸出（光電接收器件）的隔離特性可用它們之間的隔離電壓bvcfo來描素。一般低壓使用時隔離特性都能滿足要求，在高壓使用時，隔離電壓成為重要的參數(shù)。已經(jīng)可以制造出

10、用于高壓隔離應用的耐壓高達幾千伏或上萬伏的光電耦合器件。 (2)輸入與輸出間的絕緣電阻rfc 光電耦合器隔離特性另一種描述方式是絕緣電阻。光電耦合器的隔離電阻一般在109 1013之間。它與耐壓密切相關，它與的關系和耐壓與的關系一樣。 3.光電耦合器件的抗干擾特性 (1)光電耦合器件抗干擾強的原因 光電耦合器件的輸入阻抗很低，一般為101k；而干擾源的內(nèi)阻很大，為103106。按分壓比計算，能夠饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲變得很小。 由于干擾噪聲源的內(nèi)阻很大，干擾電壓供出的能量卻很小，只能形成很弱的電流。而發(fā)光二極管只有在通過一定的電流時才能發(fā)光。因此，被它抑制掉。 光電耦合器件的輸入、

11、輸出是用光耦合的，且被密封在管殼內(nèi)，不會受到外界光的干擾。 光電耦合器件的輸入、輸出間寄生電容很小(為0.5 2pf)，絕緣電阻大(為10111013)，因而輸出系統(tǒng)的各種干擾噪音很難通過光電耦合器件反饋到輸入系統(tǒng)。 (2)光電耦合器件抑制干擾噪聲電平的估算 在向光電耦合器輸送信息(例如矩形脈沖信號)的同時，不可避免地進入干擾信號。這些干擾信號由系統(tǒng)自身產(chǎn)生的干擾、電源脈動干擾、外界電火花干擾以及繼電器釋放所產(chǎn)生的反電勢的泄放干擾等。干擾信號包含各種白噪聲和各種頻率的尖脈沖，且以繼電器等電磁電器的開關干擾最為嚴重。這些干擾信號的波形如圖6-37（a）所示。設每個干擾脈沖寬度為1s，重復頻率為5

12、00khz。經(jīng)過傅立葉變換，得到含有各種頻率的序列余弦函數(shù) u(t)=a/2+ (2 a/) cos2ft (2 a/3) cos23ft+ (2 a/5) cos25ft (6-21) 由上式可以看出，其的直流分量為 ，交流分量的幅度隨頻率的升高逐級減弱。 2a可以用一次分量來近似地表示整個的交流分量 而不會帶來太大的誤差。 uf(t)= 2 a/ cos2ft (6-22) 如圖6-38所示，繼電器開關干擾常由繞組與接觸點間的寄生電容cs竄入光電耦合器件的輸入端。圖6-38(b)所示為它的交流等效電路。 設繼電器繞組與接觸點間的寄生電容cs為2pf，則等效內(nèi)阻zo為 )(10212160f

13、csz(6-23) 設使光電耦合的最小輸入電流為1ma，發(fā)光二極管的正向壓降為1v，故，等效輸入阻抗z=lk。顯然，zz。在該回路內(nèi)，當瞬時電流達到1ma時，干擾源的基波幅值為 )v(1021)(3ftu(6-24) 根據(jù)式（6-22），可求出使光電耦合器工作的最小電壓脈沖的幅值為 umin=250v 在實際應用中，繼電器工作在30v以下，繼電器開關引起的干擾脈沖絕不可能高于250v ，因此，不會干擾耦合器。6.5 光電耦合器件的應用 6.5.1 用于電平轉(zhuǎn)換 工業(yè)控制系統(tǒng)所用集成電路的電源電壓和信號脈沖的幅度常不盡相同，如ttl的電源為5v，htl為12v，pmos為22v，cmos則為52

14、0v。如果在系統(tǒng)中必須采用二種集成電路芯片，就必需對電平進行轉(zhuǎn)換，以便邏輯控制的實現(xiàn)。 圖6-39所示為利用光電耦合器件實現(xiàn)pmos電路的電平與ttl電路電平的轉(zhuǎn)換電路。光電耦合器件不但使前后兩種不同電平的脈沖信號耦合起來而且使輸入與輸出電路完全隔離。 6.5.2 用于邏輯門電路 利用光電耦合器件可以構成各種邏輯電路，圖6-40所示為兩個光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端ui1和ui2同時輸入高電平1，則兩個發(fā)光二極管gd1和gd2都發(fā)光，兩個光敏三極管td1和td2都導通，輸出端就呈現(xiàn)高電平“1”。若輸入端ui1或ui2中有一個為低電平“0”，則輸出光電三極管中必有一個不導通，使得輸出信

15、號為“0”，故為與門邏輯電路，uo= ui1 ui2。 光電耦合器件還可以構成與非、或、或非、異或等邏輯電路。 圖6-41所示典型應用電路中左側(cè)的輸入電路電源為13.5v的htl邏輯電路，中間的中央運算器、處理器等電路為+5v電源，后邊的輸出部分依然為抗干擾特性高的htl電路。 將這些電源與邏輯電平不同的部分耦合起來需要采用光電耦合器。 輸入信號經(jīng)光電耦合器送至中央運算、處理部分的ttl電路，ttl電路的輸出又通過光電耦合器送到抗干擾能力高的htl電路，光電耦合器成了ttl和htl兩種電路的媒介。 6.5.3 隔離方面的應用隔離方面的應用 有時為隔離干擾，或者為使高壓電路與低壓信號分開，可采用

16、光電耦合器。圖6-41所示電路中表明了光電耦合器件的又一個重要的功能，即隔離功能。 在電子計算機與外圍設備相連的情況下，會出現(xiàn)感應噪聲、接地回路噪聲等問題。為了使輸入、輸出設備及長線傳輸設備等外圍設備的各種干擾不竄入計算機，以便提高計算機工作的可靠性，亦采用光電耦合器把計算機與外圍設備隔離開來。 6.5.4 可控硅控制電路中的應用 可控硅整流器，或scr，是一種很普通的單向低壓控制高壓的器件，可以將其用于光觸發(fā)的形式。同樣，雙向可控硅是由一種很普通的scr發(fā)展改進的器件，它也可用于光觸發(fā)形式。將一只scr和一只led密封在一個封裝中，就可以構成一只光耦合的scr；而將一只雙向可控硅和一只led密封在一個封裝中就可以制成一只光耦合的雙向可控硅。 思考題與習題思考題與習題6 6 6.8 舉