貼片式光電耦合器應(yīng)用與研究
目前極大多數(shù)的光耦輸入部分采用砷化鎵紅外發(fā)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(fā)可控硅。這是因?yàn)榉逯挡ㄩL900~940nm的砷化鎵紅外發(fā)光二極管能與硅光電器件的響應(yīng)峰值波長相吻合,可獲得較高的信號(hào)傳輸效率。
光電耦合器(以下簡稱光耦)是一種發(fā)光器件和光敏器件組成的光電器件。它能實(shí)現(xiàn)電—光—電信號(hào)的變換,并且輸入信號(hào)與輸出信號(hào)是隔離的。
光耦的結(jié)構(gòu)
光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(剖面)如圖1所示。光耦輸入部分大都是紅外發(fā)光二極管,輸出部分有不同的光敏器件,如圖2所示。
這里要說明的是,圖2(c)的輸入部分有兩個(gè)背對背的紅外發(fā)光二極管,它用于交流輸入的場合;圖2(d)采用達(dá)林頓輸出結(jié)構(gòu),它可使輸出獲得較大的電流;圖2(e)、2(f)的輸出由光觸發(fā)雙向可控硅組成,它們主要用來驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載。圖2(e)與圖2(f)的差別是圖2(f)有過零觸發(fā)控制(圖中的“ZC”即“過零”的意思),而圖2(e)沒有過零觸發(fā)控制電路。
基本電路
光耦的基本電路如圖3所示。圖3(a)的負(fù)載電阻RL接在發(fā)射極及地之間,圖3(b)的負(fù)載電阻RL接在電源Vdd與集電極之間。
在圖3(a)中,輸入端加上Vcc電壓,經(jīng)限流電阻Rin后,有一定的電流IF流經(jīng)紅外發(fā)光二極管,IF與Vcc、發(fā)光二極管的正向壓降VF及Rin的關(guān)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(shí)IF≤10mA)。
發(fā)光二極管發(fā)光后,光電三極管導(dǎo)通,集電極電流Ic由Vdd經(jīng)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(fù)。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(fù)載得電,這個(gè)功能相當(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)換。
特點(diǎn)及應(yīng)用范圍
光耦的主要特點(diǎn):輸入與輸出之間絕緣(絕緣電壓可達(dá)數(shù)千伏);信號(hào)傳輸為單方向,輸出信號(hào)不會(huì)對輸入信號(hào)有影響;能傳輸模擬信號(hào)也可傳輸數(shù)字信號(hào);抗干擾能力強(qiáng);體積小、壽命長;由于無觸頭,因此抗振性強(qiáng)。近年來由于生產(chǎn)工藝改進(jìn),SMT的發(fā)展,開發(fā)出性能更好、尺寸更小的貼片式光耦,它由DIP6管腳封裝改進(jìn)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,如圖2所示。頂面有圓圈者為第1管腳,如圖6所示。
由于該類器件有上述特點(diǎn),它主要應(yīng)用于隔離電路、開關(guān)電路、邏輯電路、信號(hào)長線傳輸、線性放大電路、隔離反饋電路、控制電路及電平轉(zhuǎn)換電路等。
光耦主要參數(shù)
本文介紹NEC公司及TOSHIBA公司生產(chǎn)的一些常用的貼片式光耦及其主要參數(shù)。主要參數(shù)如表1及表2所示。
這里要說明一下電流傳輸比(CTR)這個(gè)參數(shù)的意義。CTR是Current Transfer Ratio 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(dá)林頓輸出型可達(dá)上千。CTR大,則在同樣的IF下,輸出電流Ic大,驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力也強(qiáng)(或者說IF較小可獲得大的Ic)。
這里順便指出,當(dāng)用光電耦合器作交流信號(hào)傳輸時(shí),必須考慮它的頻率特性。采用GaAs發(fā)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(yīng)時(shí)間小于10μs。
在使用時(shí)要注意的紅外發(fā)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(shí)輸入端不能接反,防止紅外發(fā)光二極管因反壓過高而擊穿(可在1腳、3腳接一個(gè)反向二極管來保護(hù),如圖4所示)。
光耦的簡易測量方法
光電三極管輸出的光耦是應(yīng)用最廣泛的,若頂面印刷字跡或圓點(diǎn)看不清楚,可采用指針式三用表來測量,確認(rèn)哪個(gè)管腳是1腳,并且也可簡易測出光耦的好壞。
由于它是一個(gè)二極管及一個(gè)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(gè)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(yīng)是R=∞(表筆不動(dòng))。若光電三極管的測量電阻不是∞,則此光耦不能用。