光電耦合器是一種由發光器件和光敏器件組合構成的通用光電器件。它以光為媒介,完成電—光~電信號的變換及傳輸,把輸入信號耦合到輸出端。該器件具有體積小、無機械觸頭、抗干擾能力強、工作壽命長、輸入及輸出之間絕緣、能傳輸模擬信號及數字信號的特點,廣泛地用予隔離電路、開關電路、電源電路、邏輯電路、電平轉換電路、過流保護電路等。為滿足各種電路不同的輸入、輸出性能要求,光電耦合器有不同的結構及特性,并形成系列,供用戶選擇。例如,其輸人信號可以是直流或交流,其輸出部分可以接不同的工作電壓及輸出不同的電流,它可以滿足不同速度傳輸信號的要求等。光電耦合器種類繁多,目前極大多數的光耦輸入部分采用砷化鎵紅外發光二極管,輸出部分采用硅光電二極管、硅光電三極管及光觸發可控硅。這是因為峰值波長900~940nm的砷化鎵紅外發光二極管能與硅光電器件的響應峰值波長相吻合,可獲得較高的信號傳輸效率。
一、光耦的結構
光耦的內部結構(剖面)如圖1所示。光耦輸入部分大都是紅外發光二極管,輸出部分有不同的光敏器件,如圖2所示。
圖1光耦的內部結構(剖面)
圖2光耦的結構示意圖
這里要說明的是,圖2(c)的輸入部分有兩個背對背的紅外發光二極管,它用于交流輸入的場合;圖2(d)采用達林頓輸出結構,它可使輸出獲得較大的電流;圖2(e)、2(f)的輸出由光觸發雙向可控硅組成,它們主要用來驅動交流負載。圖2(e)與圖2(f)的差別是圖2(f)有過零觸發控制(圖中的“ZC”即“過零”的意思),而圖2(e)沒有過零觸發控制電路。由于輸入側與輸出側之間存在分布電容,以及輸出器件的結電容,它在高頓時對傳輸信號有影響。采用硅光電二極管的最高工作頻率可達1MHz(TLP112)﹔面用硅光電點極管的最高工作頻率要低一些,為500kHz;采用達林頓的則更低(約1kHz)。
二、基本電路
光耦的基本電路如圖3所示。圖3(a)的負載電阻RL接在發射極及地之間,圖3(b)的負載電阻RL接在電源Vdd與集電極之間。
圖3光耦的基本電路
在圖3(a)中,輸入端加上VCC電壓,經限流電阻Rin后,有一定的電流IF流經紅外發光二極管,IF與Vcc、發光二極管的正向壓降VF及Rin的關系為:IF=(Vcc-VF)/Rin。式中的VF取1.3V。IF的最大值由資料給出(一般工作時IF≤10mA)。
發光二極管發光后,光電三極管導通,集電極電流IC由Vdd經光電三極管流過RL到地,使輸出電壓Vout=Ic×RL(或Vout=Vdd-VCE,VCE為光電三極管的管壓降)。圖3(b)的工作原理與圖3(a)相同,不再重復。圖3中輸入、輸出也可用各自的地。從圖3(a)可以看出;輸入端不加Vcc電壓,輸出端Vout=0V,輸入端加了Vcc電壓,負載得電,這個功能相當于“繼電器”。如果在輸入端加幅值為5V的脈沖(如圖4所示),輸出端Vdd=12V,RL=10kΩ,則輸出的脈沖幅值接近12V,從這功一能來看,相當于“變壓器”;若輸入電壓從0躍變到+5V,輸出則從0躍變到接近12V,它又可用作電平轉換。
圖4光耦應用之電平轉換
三、特點及應用范圍
光耦的主要特點:輸入與輸出之間絕緣(絕緣電壓可達數千伏);信號傳輸為單方向,輸出信號不會對輸入信號有影響;能傳輸模擬信號也可傳輸數字信號;抗干擾能力強;體積小、壽命長;由于無觸頭,因此抗振性強。近年來由于生產工藝改進,SMT的發展,開發出性能更好、尺寸更小的貼片式光耦,它由DIP6管腳封裝改進成4管腳封裝,不僅改小尺寸,并且減小了干擾,如圖5所示,但有一些公司其管腳仍按6管腳排列。頂面有圓圈者為第1管腳。
圖5光耦引腳示意圖
由于該類器件有上述特點,它主要應用于隔離電路、開關電路、邏輯電路、信號長線傳輸、線性放大電路、隔離反饋電路、控制電路及電平轉換電路等。
四、光耦主要參數
本文介紹NEC公司及TOSHIBA公司生產的一些常用的貼片式光耦及其主要參數。主要參數如圖6所示。
圖6光耦主要參數
這里要說明一下電流傳輸比(CTR)這個參數的意義。CTR是CurrentTransferRatio的縮寫。它是在一定工作條件下(IF及VCE),光耦的輸出電流Ic與輸入電流IF的比值,一般用百分比表示,其值低的從幾到幾十,高的從幾十到幾百,達林頓輸出型可達上千。CTR大,則在同樣的IF下,輸出電流Ic大,驅動負載的能力也強(或者說IF較小可獲得大的Ic)。
這里順便指出,當用光電耦合器作交流信號傳輸時,必須考慮它的頻率特性。采用GaAs發光二極管及硅光電三極管的光耦,其最高工作頻率約為500kHz;其響應時間小于10μs。
在使用時要注意的紅外發光二極管的反壓VR一般是很低的,有的VR僅3V。因此在使用時輸入端不能接反,防止紅外發光二極管因反壓過高而擊穿(可在1腳、3腳接一個反向二極管來保護,如圖4所示)。
五、光耦的簡易測量方法
光電三極管輸出的光耦是應用最廣泛的,若頂面印刷字跡或圓點看不清楚,可采用指針式三用表來測量,確認哪個管腳是1腳,并且也可簡易測出光耦的好壞。
圖7光耦測量示意圖
由于它是一個二極管及一個三極管c、e極組成的,所以用R×1k擋來測量是十分方便的。只要測出一個二極管:黑表筆接二極管的陽極,紅表筆接二極管的陰極,其阻值約30kΩ,則黑表筆端即1腳。如圖7所示,其它三種測量都應是R=∞(表筆不動)。若光電三極管的測量電阻不是∞,則此光耦不能用。
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