光電耦合器件-沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)

光電檢測(cè)技術(shù)

SHENYANGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY2§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件一、光電耦合器件：就是發(fā)光器件與接收器件組合的一種元件。光電耦合器件發(fā)光器件接受器件發(fā)光二極管光電二極管光電三極管光集成電路§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件二、工作原理：在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。1553b耦合器§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件三、光電耦合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。光電耦合器就是把發(fā)光器件和光接收器件組裝在一個(gè)密閉的管殼內(nèi)，然后利用發(fā)光器件的管腳作輸入端，而把光接收器的管腳作為輸出端。當(dāng)在輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器件發(fā)光。這樣，光接收器件由于光電導(dǎo)效應(yīng)而在光照后產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后由輸出端輸出。從而實(shí)現(xiàn)了以“光”為媒介的電信號(hào)傳輸，而器件的輸入和輸出兩端在電氣上是絕緣的。這樣就構(gòu)成了一種中間通過(guò)光傳輸信號(hào)的新型半導(dǎo)體電子器件。發(fā)光器件光接收器件輸入端輸出端§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件光電導(dǎo)效應(yīng)，又稱(chēng)為光電效應(yīng)、光敏效應(yīng)，是光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象。即光電導(dǎo)效應(yīng)是光照射到某些物體上后，引起其電性能變化的一類(lèi)光致電改變現(xiàn)象的總稱(chēng)。在光線作用下，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件四、技術(shù)參數(shù)光耦合器的技術(shù)參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級(jí)與輸出級(jí)之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat）。此外，在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)間、延遲時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)。

電流傳輸比CTR是光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來(lái)表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí)，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

五、基本工作特性（以光敏三極管為例）A、共模抑制比很高在光電耦合器內(nèi)部，由于發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很?。?pF以?xún)?nèi)）所以共模輸入電壓通過(guò)極間耦合電容對(duì)輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。共模抑制比：定義為放大器對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)Aud與對(duì)共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)Auc之比。就是為了說(shuō)明差分放大電路抑制共模信號(hào)及放大差模信號(hào)的能力。電路的對(duì)稱(chēng)性決定了被放大后的信號(hào)殘存共模干擾的幅度，電路對(duì)稱(chēng)性越好，其共模抑制比就越大，抑制共模信號(hào)（干擾）的能力也就越好。§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

光電耦合器件的輸出特性曲線B、輸出特性光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流IF下，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關(guān)系，當(dāng)IF=0時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時(shí)的光敏晶體管集電極輸出電流稱(chēng)為暗電流，一般很小。當(dāng)IF>0時(shí)，在一定的IF作用下，所對(duì)應(yīng)的IC基本上與VCE無(wú)關(guān)。IC與IF之間的變化成線性關(guān)系，用半導(dǎo)體管特性圖示儀測(cè)出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極管輸出特性相似?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

C、光電耦合器可作為線性耦合器使用在發(fā)光二極管上提供一個(gè)偏置電流，再把信號(hào)電壓通過(guò)電阻耦合到發(fā)光二極管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號(hào)，其輸出電流將隨輸入的信號(hào)電壓作線性變化。光電耦合器也可工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖信號(hào)。在傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間存在一定的延遲時(shí)間，不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器輸入、輸出延遲時(shí)間相差很大?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

六、光電耦合的主要特點(diǎn)如下：（1）輸入和輸出端之間電氣絕緣，其絕緣電阻一般都大于1010Ω，耐壓一般可超過(guò)1kV，有的甚至可以達(dá)到10kV以上（2）由于“光”傳輸?shù)膯蜗蛐裕孕盘?hào)從光源單向傳輸?shù)焦饨邮掌鲿r(shí)不會(huì)出現(xiàn)反饋現(xiàn)象，其輸出信號(hào)也不會(huì)影響輸入端。（3）光電耦合器件的共模抑制比很大，所以光電耦合器件可以很好地抑制干擾并消除噪音。（4）容易和邏輯電路配合。（5）響應(yīng)速度快。光電耦合器件的時(shí)間常數(shù)通常在微秒甚至毫微秒極。（6）無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、體積小、耐沖擊。§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件電氣隔離，就是將電源與用電回路作電氣上的隔離，即將用電的分支電路與整個(gè)電氣系統(tǒng)隔離，使之成為一個(gè)在電氣上被隔離的、獨(dú)立的不接地安全系統(tǒng)，以防止在裸露導(dǎo)體故障帶電情況下發(fā)生間接觸電危險(xiǎn)。在光耦器件中我認(rèn)為主要作用是減少兩個(gè)不同電路之間的相互干擾。（不知道對(duì)不對(duì)）光電耦合器電氣隔離作用的建立需要滿(mǎn)足一定的外部條件：首先，在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)立的電源，若兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義；其次，當(dāng)用光電耦合器來(lái)隔離輸入、輸出通道時(shí)，必須對(duì)所有的信號(hào)（包括數(shù)位量信號(hào)、控制量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒(méi)有任何電氣上的聯(lián)系?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

七、應(yīng)用：

有時(shí)光電耦合器件還可以取代繼電器、變壓器、斬波器等，目前已經(jīng)被廣泛用于隔離電路、開(kāi)關(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、邏輯電路、高壓控制、線性放大、電平匹配等單元電路。13§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件光電隔離器光傳感器它能在電路之間傳送信息，實(shí)現(xiàn)電路之間的電氣隔離和消除噪聲影響用于檢測(cè)物體的有無(wú)形狀或位置八、光電耦合器件的分類(lèi)：⑴按光路徑分，可分為內(nèi)光路光電耦合器（又稱(chēng)光電隔離器）和外光路光電耦合器（又稱(chēng)光電傳感器、光電斷續(xù)檢測(cè)器）。14§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件（1）光電隔離器：就是把發(fā)光器件和光電接收器件組裝在同一個(gè)管殼中，而且兩者的管芯相對(duì)、相互靠近；除光路部分外，其他部分完全遮光就構(gòu)成光電隔離器。（a）雙列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)（b）金屬管殼封裝（c）側(cè)面引線對(duì)封裝結(jié)構(gòu)15§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

光電隔離器的發(fā)光器件常采用發(fā)光二極管，但接收器可以采用多種。（下一個(gè)分類(lèi)講到）

接收器為光電二極管，被命名為GD-210系列光電耦合器16§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

接收器為光電三極管，被命名為GD-310系列光電耦合器，適合用來(lái)驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載接收器為光電二極管--高速開(kāi)關(guān)三極管組件17§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件接收器為光電三極管--達(dá)林頓晶體管組件，適合應(yīng)用于輸出較大電流的場(chǎng)合接收器為光集合電路18§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件（2）光傳感器：（透過(guò)型與反射型）（a）透過(guò)型：透過(guò)型光傳感器又稱(chēng)光續(xù)斷器，是將保持一定距離的發(fā)光器件相對(duì)組裝而成。如下圖，當(dāng)物體從兩器件之間通過(guò)時(shí)將引起透射光的通和斷，從而判斷物體數(shù)量的有無(wú)。19

§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件（b）反射型：把發(fā)光器件和光接收器以某一個(gè)交叉角度安放在同一方向則組成反射光傳感器。1-發(fā)光器件2-光電器件3-基座4-被測(cè)物體（1）（2）§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件應(yīng)用：（1）測(cè)量物體經(jīng)過(guò)時(shí)反射光亮的變化，可檢測(cè)物體的數(shù)目和長(zhǎng)度；（2）光編碼器，應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)；（3）高速印刷機(jī)中作定時(shí)和位置控制（4）傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)中用作對(duì)紙的檢測(cè)或圖像色彩濃度的調(diào)整§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件⑵按輸出形式分，可分為：a、光敏器件輸出型，其中包括光敏二極管輸出型，光敏三極管輸出型，光電池輸出型，光可控硅輸出型等。b、NPN三極管輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型，互補(bǔ)輸出型等。c、達(dá)林頓三極管輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型。d、邏輯門(mén)電路輸出型，其中包括門(mén)電路輸出型，施密特觸發(fā)輸出型，三態(tài)門(mén)電路輸出型等。e、低導(dǎo)通輸出型（輸出低電平毫伏數(shù)量級(jí)）。f、光開(kāi)關(guān)輸出型（導(dǎo)通電阻小余10Ω）。g、功率輸出型（IGBT/MOSFET等輸出）?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件⑶按封裝形式分，可分為同軸型，雙列直插型，TO封裝型，扁平封裝型，貼片封裝型，以及光纖傳輸型等。⑷按傳輸信號(hào)分，可分為數(shù)字型光電耦合器（OC門(mén)輸出型，圖騰柱輸出型及三態(tài)門(mén)電路輸出型等）和線性光電耦合器（可分為低漂移型，高線性型，寬帶型，單電源型，雙電源型等）。⑸按速度分，可分為低速光電耦合器（光敏三極管、光電池等輸出型）和高速光電耦合器（光敏二極管帶信號(hào)處理電路或者光敏集成電路輸出型）?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件⑹按通道分，可分為單通道，雙通道和多通道光電耦合器。

⑺按隔離特性分，可分為普通隔離光電耦合器（一般光學(xué)膠灌封低于5000V，空封低于2000V）和高壓隔離光電耦合器（可分為10kV，20kV，30kV等）。⑻按工作電壓分，可分為低電源電壓型光電耦合器（一般5～15V）和高電源電壓型光電耦合器（一般大于30V）。24§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件九、

光電耦合器件的基本電路（包括驅(qū)動(dòng)和輸出兩部分）（1）放光二極管的驅(qū)動(dòng)電路：

通常有簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)、晶體管驅(qū)動(dòng)、場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)。如下圖：a、簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)bc、晶體管驅(qū)動(dòng)d、場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)25§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件（2）輸出電路：ab、光電三極管輸出電路c、光電二極管-晶體管輸出電路d、光電二極管-達(dá)林頓管輸出電路§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件十、介紹一個(gè)芯片TLP641J1、陽(yáng)極2、陰極6、門(mén)極3、所有的集成電路芯片，凡是標(biāo)著N.C.的腳都是空腳，這樣的管腳沒(méi)有任何內(nèi)部連接，純粹是為了接插和焊接的方便而設(shè)?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件十一、雙路高速高增益光電耦合器原理圖§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件MHM-02A/B雙路高速光電耦合器高速光柵隔離器

MHM-02型雙路高速光柵隔離器（光電耦合器編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)換器編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊）應(yīng)用于包括微處理器系統(tǒng)TTL與PLC之間數(shù)據(jù)高速傳輸轉(zhuǎn)換接口（如解決雷諾德旋轉(zhuǎn)編碼器輸出與PLC控制器之間轉(zhuǎn)換接口、應(yīng)用于西門(mén)子FM350-2高速計(jì)數(shù)模塊、西門(mén)子313C-2DP高速計(jì)數(shù)通道）、電動(dòng)機(jī)數(shù)字光電編碼器、光柵尺與PLC控制器之間轉(zhuǎn)換接口、變頻器脈沖信號(hào)與PLC控制器之間的信號(hào)傳輸、數(shù)據(jù)輸入/輸出轉(zhuǎn)換接口、微處理器系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外設(shè)接口、還特別適用于電機(jī)自控應(yīng)用等領(lǐng)域。尤其是能克服工控系統(tǒng)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的強(qiáng)干擾，將強(qiáng)電傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和遠(yuǎn)程PLC控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間電氣隔離，排除強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)等電氣干擾。MHM-02型高速光電耦合模塊可以分隔系統(tǒng)和有效保護(hù)較為敏感的電路，并且具有脈沖整形功能，有效地提高了系統(tǒng)之間的抗干擾性能，為工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的高低電壓之間提供一個(gè)完全物理隔離的安全接口。內(nèi)置二路獨(dú)立隔離器?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件十二、幾種使用電路：（1）光耦控制繼電器電路§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件三相固態(tài)繼電器§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件優(yōu)點(diǎn)：光電耦合器的電流傳輸比為20%，耐壓為150V，驅(qū)動(dòng)電流在8～20mA之間。在實(shí)際使用中，由于它沒(méi)有一般電磁繼電器常見(jiàn)的實(shí)際接點(diǎn)，因此不存在接觸不良和燃弧打火等現(xiàn)象，也不會(huì)因受外力或機(jī)械沖擊而引起誤動(dòng)作。所以，它的性能比較可靠，工作十分穩(wěn)定?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件（2）光電耦合器用于電話保安裝置為了防止電話線路被并機(jī)竊用或電話機(jī)被盜用通話，可以利用光電耦合器來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的電話保安電路

整流電路S§3.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件

平時(shí)在掛機(jī)狀態(tài)下，線路中的48V或60V饋電壓（交換機(jī)型號(hào)不同時(shí)，該饋電壓也有所不同），經(jīng)VD1～VD4整流、R2限流、齊納二極管VD穩(wěn)壓后，使IC的輸入端發(fā)光管點(diǎn)亮，導(dǎo)致IC輸出端的受光器件轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)而使晶體管V呈截止?fàn)顟B(tài)，繼電器K不工作，控制線路中的觸點(diǎn)K-1斷開(kāi)，R1不接入電話線路中，電路處在正常的監(jiān)控狀態(tài)。同時(shí)K-2也處在斷開(kāi)位置，電子報(bào)警蜂鳴器不發(fā)聲?！?.6結(jié)型光器件的應(yīng)用實(shí)例--光電耦合器件一旦有并機(jī)竊用或電話機(jī)被盜用時(shí)，線路中的饋電電壓下降到6～10V，由于該6～10V的電壓經(jīng)VD1～VD4整流后不能使VD擊穿，因此將不能亮IC輸入端的發(fā)光管，這