光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi),彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端,受光器的引腳為輸出端,常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管,受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。
在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光,光的強(qiáng)度取決于激勵電流的大小,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。
光電耦合器主要由三部分組成:光的發(fā)射、光的接收及信號放大。 光的發(fā)射部分主要由發(fā)光器件構(gòu)成,發(fā)光器件一般都是發(fā)光二極管,發(fā)光二極管加上正向電壓時,能將電能轉(zhuǎn)化為光能而發(fā)光,發(fā)光二極管可以用直流、交流、脈沖等電源驅(qū)動,但發(fā)光二極管在使用時必須加正向電壓。
光的接收部分主要由光敏器件構(gòu)成,光敏器件一般都是光敏晶體管, 光敏晶體管是利用 PN 結(jié)在施加反向電壓時,在光線照射下反向電阻由大變小的原理來工作的。
光的信號放大部分主要由電子電路等構(gòu)成。發(fā)光器件的管腳為輸入端,而光敏器件的管腳為輸出端。工作時把電信號加到輸入端,使發(fā)光器件的芯體發(fā)光, 而光敏器件受光照后產(chǎn)生光電流并經(jīng)電子電路放大后輸出,實(shí)現(xiàn)電→光→電的轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)輸入和輸出電路的電器隔離。由于光電耦合器輸入與輸出電路間互相隔離,且電信號在傳輸時具有單向性等優(yōu)點(diǎn), 因而光電耦合器具有良好的抗電磁波干擾能力和電絕緣能力。
高速光耦介紹
電耦合器(簡稱光耦)是開關(guān)電源電路中常用的器件。光電耦合器分為兩種:一種為非線性光耦,另一種為線性光耦。
常用的4N系列光耦屬于非線性光耦,常用的線性光耦是PC817A—C系列。
非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的,這類光耦適合于弄開關(guān)信號的傳輸,不適合于傳輸模擬量。線性光耦的電流傳輸手特性曲線接進(jìn)直線,并且小信號時性能較好,能以線性特性進(jìn)行隔離控制。
開關(guān)電源中常用的光耦是線性光耦。如果使用非線性光耦,有可能使振蕩波形變壞,嚴(yán)重時出現(xiàn)寄生振蕩,使數(shù)千赫的振蕩頻率被數(shù)十到數(shù)百赫的低頻振蕩依次為號調(diào)制。由此產(chǎn)生的后果是對彩電,彩顯,VCD,DCD等等,將在圖像畫面上產(chǎn)生干擾。同時電源帶負(fù)載能力下降。
在彩電,顯示器等開關(guān)電源維修中如果光耦損壞,一定要用線性光耦代換。常用的4腳線性光耦有PC817A----C。PC111TLP521等常用的六腳線性光耦有:TLP632TLP532PC614PC714PS2031等。常用的4N254N264N354N36是不適合用于開關(guān)電源中的,因?yàn)檫@4種光耦均屬于非線性光耦。
高速光耦芯片型號與選型
100Kbit/S:
6N138、6N139、PS8703
1Mbit/S:
6N135、6N136、CNW135、CNW136、PS8601、PS8602、PS8701、PS9613、PS9713、CNW4502、HCPL-2503、HCPL-4502、HCPL-2530(雙路)、HCPL-2531(雙路)
10Mbit/S:
6N137、PS9614、PS9714、PS9611、PS9715、HCPL-2601、HCPL-2611、HCPL-2630(雙路)、HCPL-2631(雙路)
高速光耦與普通光耦區(qū)別
在結(jié)構(gòu)當(dāng)面,高速光耦與普通光耦是不一樣,高速光耦的結(jié)構(gòu)是光敏二極管+放大驅(qū)動電路,普通光耦的結(jié)構(gòu)是光敏三極管(+放大驅(qū)動電路)。光敏二極管的響應(yīng)速度(上升下降時間)是納秒級,光敏三極管的響應(yīng)速度(上升下降時間)是微秒級。不是說普通光耦工作在線性區(qū)它就能高速,它固有的響應(yīng)時間就限死了它想快也快不起來。另外如果普通光耦工作在線性區(qū),那它也會受限截至頻率Fc(Cut-offFrequency)這個參數(shù),普通光耦這個Fc基本在50KHz左右(測試條件VCC=5v、IC=5ma、RL=100R,RL加大Fc更小,RL=1K時,F(xiàn)c大約在10KHz左右),像TLP521,F(xiàn)c約50KHz,PC817,F(xiàn)c約80KHz,CNY117,F(xiàn)c約250KHz。
當(dāng)然有些普通光耦在調(diào)大驅(qū)動電流(到200MA)/減小負(fù)載電阻(到500OHM)/優(yōu)化驅(qū)動脈沖等情況下的確實(shí)能達(dá)到500KHz這樣的速度。
高速光耦的應(yīng)用
1、高速光耦應(yīng)用在空調(diào)
2、高速光耦應(yīng)用在驅(qū)動電源
高速光電耦合器6N137原理與應(yīng)用
高速光電耦合器6N137由磷砷化鎵發(fā)光二極管和光敏集成檢測電路組成。通過光敏二極管接收信號并經(jīng)內(nèi)部高增益線性放大器把信號放大后,由集電極開路門輸出。6N137引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。該光電器件高、低電平傳輸延遲時間短,典型值僅為45ns,已接近TTL電路傳輸延遲時間的水平。具有10Mbps的高速性能,因而在傳輸速度上完全能夠滿足隔離總線的要求。內(nèi)部噪聲防護(hù)裝置提供了典型10kV/μs的共模抑制功能。除此之外,6N137還具有一個控制端,通過對該端的控制,可使光耦輸出端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。
1:NC.;2:Anode(陽極);3:Cathode(陰極);4:N.C.;5:GND;6:Output(Opencollector開路集電極);7:Enable(使能端);8:VCC
簡單的原理如圖1所示,若以腳2為輸入,腳3接地,則真值表如附表2所列,這相當(dāng)于非門的傳輸,若希望在傳輸過程中不改變邏輯狀態(tài),則從腳3輸入,腳2接高電平。
6N137原理及典型應(yīng)用
6N137的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖3所示,信號從腳2和腳3輸入,發(fā)光二極管發(fā)光,經(jīng)片內(nèi)光通道傳到光敏二極管,反向偏置的光敏管光照后導(dǎo)通,經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換后送到與門的一個輸入端,與門的另一個輸入為使能端,當(dāng)使能端為高時與門輸出高電平,經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當(dāng)輸入信號電流小于觸發(fā)閾值或使能端為低時,輸出高電平,但這個邏輯高是集電極開路的,可針對接收電路加上拉電阻或電壓調(diào)整電路。
隔離器6N137典型應(yīng)用如圖3所示,假設(shè)輸入端屬于模塊I,輸出端屬于模塊II。輸入端有A、B兩種接法,分別得到反相或同相邏輯傳輸,其中RF為限流電阻。發(fā)光二極管正向電流0-250μA,光敏管不導(dǎo)通;發(fā)光二極管正向壓降1.2-1.7V(典型1.4V),正向電流6.3-15mA,光敏管導(dǎo)通。若以B方法連接,TTL電平輸入,Vcc為5V時,RF可選500Ω左右。如果不加限流電阻或阻值很小,6N137仍能工作,但發(fā)光二極管導(dǎo)通電流很大對Vcc1有較大沖擊,尤其是數(shù)字波形較陡時,上升、下降沿的頻譜很寬,會造成相當(dāng)大的尖峰脈沖噪聲,而通常印刷電路板的分布電感會使地線吸收不了這種噪聲,其峰-峰值可達(dá)100mV以上,足以使模擬電路產(chǎn)生自激。所以在可能的情況下,RF應(yīng)盡量取大。
輸出端由模塊II供電,Vcc2=4.5~5.5V。在Vcc2(腳8)和地(腳5)之間必須接一個0.1μF高頻特性良好的電容,如瓷介質(zhì)或鉭電容,而且應(yīng)盡量放在腳5和腳8附近(不要超過1cm)。這個電容可以吸收電源線上的紋波,又可以減小光電隔離器接受端開關(guān)工作時對電源的沖擊。腳7是使能端,當(dāng)它在0-0.8V時強(qiáng)制輸出為高(開路);當(dāng)它在2.0V-Vcc2時允許接收端工作,見真值表2。
腳6是集電極開路輸出端,通常加上拉電阻RL。雖然輸出低電平時可吸收電路達(dá)13mA,但仍應(yīng)當(dāng)根據(jù)后級輸入電路的需要選擇阻值。因?yàn)殡娮杼?N137耗電增大,加大對電源的沖擊,使旁路電容無法吸收,而干擾整個模塊的電源,甚至把尖峰噪聲帶到地線上。一般可選4.7kΩ,若后級是TTL輸入電路,且只有1到2個負(fù)載,則用47kΩ或15kΩ也行。CL是輸出負(fù)載的等效電容,它和RL影響器件的響應(yīng)時間,當(dāng)RL=350Ω,CL=15pF時,響應(yīng)延遲為25-75ns。
具體應(yīng)用
光電耦合器具體應(yīng)用
組成開關(guān)電路
當(dāng)輸入信號ui為低電平時,晶體管V1處于截止?fàn)顟B(tài),光電耦合器B1中發(fā)光二極管的電流近似為零,輸出端Q11、Q12間的電阻很大,相當(dāng)于開關(guān)“斷開”;當(dāng)ui為高電平時,v1導(dǎo)通,B1中發(fā)光二極管發(fā)光,Q11、Q12間的電阻變小,相當(dāng)于開關(guān)“接通”.該電路因Ui為低電平時,開關(guān)不通,故為高電平導(dǎo)通狀態(tài).同理,圖2電路中,因無信號(Ui為低電平)時,開關(guān)導(dǎo)通,故為低電平導(dǎo)通狀態(tài)。
組成邏輯電路
電路“與門”邏輯電路。其邏輯表達(dá)式為P=A.B.兩只光敏管串聯(lián),只有當(dāng)輸入邏輯電平A=1、B=1時,輸出P=1。同理,還可以組成“或門”、“與非門”、“或非門”等邏輯電路。
隔離耦合電路
這是一個典型的交流耦合放大電路.適當(dāng)選取發(fā)光回路限流電阻Rl,使B4的電流傳輸比為一常數(shù),即可保證該電路的線性放大作用。
高壓穩(wěn)壓電路
驅(qū)動管需采用耐壓較高的晶體管(圖中驅(qū)動管為3DG27)。當(dāng)輸出電壓增大時,V55
的偏壓增加,B5中發(fā)光二極管的正向電流增大,使光敏管極間電壓減小,調(diào)整管be結(jié)偏壓降低而內(nèi)阻增大,使輸出電壓降低,而保持輸出電壓的穩(wěn)定。
照明燈電路
A是四組模擬電子開關(guān)(S1~S4):S1,S2,S3并聯(lián)(可增加驅(qū)動功率及抗干擾能力)用于延時電路,當(dāng)其接通電源后經(jīng)R4,B6驅(qū)動雙向可控硅VT,VT直接控制門廳照明燈H;S4與外接光敏電阻Rl等構(gòu)成環(huán)境光線檢測電路。當(dāng)門關(guān)閉時,安裝在門框上的常閉型干簧管KD受到門上磁鐵作用,其觸點(diǎn)斷開,S1,S2,S3處于數(shù)據(jù)開狀態(tài)。晚間主人回家打開門,磁鐵遠(yuǎn)離KD,KD觸點(diǎn)閉合。此時9V電源整流后經(jīng)R1向C1充電,C1兩端電壓很快上升到9V,整流電壓經(jīng)S1,S2,S3和R4使B6內(nèi)發(fā)光管發(fā)光從而觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通,VT亦導(dǎo)通,H點(diǎn)亮,實(shí)現(xiàn)自動照明控制作用。房門關(guān)閉后,磁鐵控制KD,觸點(diǎn)斷開,9V電源停止對C1充電,電路進(jìn)入延時狀態(tài)。C1開始對R3放電,經(jīng)一段時間延遲后,C1兩端電壓逐漸下降到S1,S2,S3的開啟電壓(1.5v)以下,S1,S2,S3恢復(fù)斷開狀態(tài),導(dǎo)致B6截止,VT亦截止,H熄來,實(shí)現(xiàn)延時關(guān)燈功能。
光電耦合器在多種電子設(shè)備中的應(yīng)用非常廣泛。隨著數(shù)字通信技術(shù)的迅速發(fā)展以及光隔離器和固體繼電器等自動控制部件在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大, 特別是微處理機(jī)在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用推廣( 有時一臺微機(jī)上的用量可達(dá)十幾個甚至上百個) 和產(chǎn)品性能的逐步提高, 光電耦合器的應(yīng)用市場將日益擴(kuò)大, 同時, 其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益也會十分顯著 。
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適合充電樁總線隔離,隔離電壓達(dá)到5000V的高速光耦