光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)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(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。
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(hào)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(shí)，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(dòng)，但發(fā)光二極管在使用時(shí)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(shí)，在光線照射下反向電阻由大變小的原理來(lái)工作的。
光的信號(hào)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(shí)把電信號(hào)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(hào)在傳輸時(shí)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(jiǎn)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(hào)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(hào)時(shí)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(shí)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(hào)調(diào)制。由此產(chǎn)生的后果是對(duì)彩電，彩顯，VCD，DCD等等，將在圖像畫面上產(chǎn)生干擾。同時(shí)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(hào)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(dòng)電路，普通光耦的結(jié)構(gòu)是光敏三極管(+放大驅(qū)動(dòng)電路)。光敏二極管的響應(yīng)速度(上升下降時(shí)間)是納秒級(jí)，光敏三極管的響應(yīng)速度(上升下降時(shí)間)是微秒級(jí)。不是說(shuō)普通光耦工作在線性區(qū)它就能高速，它固有的響應(yīng)時(shí)間就限死了它想快也快不起來(lái)。另外如果普通光耦工作在線性區(qū)，那它也會(huì)受限截至頻率Fc(Cut-offFrequency)這個(gè)參數(shù)，普通光耦這個(gè)Fc基本在50KHz左右(測(cè)試條件VCC=5v、IC=5ma、RL=100R，RL加大Fc更小，RL=1K時(shí)，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(dòng)電流(到200MA)/減小負(fù)載電阻(到500OHM)/優(yōu)化驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(cè)電路組成。通過(guò)光敏二極管接收信號(hào)并經(jīng)內(nèi)部高增益線性放大器把信號(hào)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(shí)間短，典型值僅為45ns，已接近TTL電路傳輸延遲時(shí)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(gè)控制端，通過(guò)對(duì)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(yáng)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(jiǎn)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(guò)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(hào)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(gè)輸入端，與門的另一個(gè)輸入為使能端，當(dāng)使能端為高時(shí)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(hào)電流小于觸發(fā)閾值或使能端為低時(shí)，輸出高電平，但這個(gè)邏輯高是集電極開路的，可針對(duì)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(shí)，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(duì)Vcc1有較大沖擊，尤其是數(shù)字波形較陡時(shí)，上升、下降沿的頻譜很寬，會(huì)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(huì)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(gè)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(guò)1cm)。這個(gè)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(shí)對(duì)電源的沖擊。腳7是使能端，當(dāng)它在0-0.8V時(shí)強(qiáng)制輸出為高(開路);當(dāng)它在2.0V-Vcc2時(shí)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(shí)可吸收電路達(dá)13mA，但仍應(yīng)當(dāng)根據(jù)后級(jí)輸入電路的需要選擇阻值。因?yàn)殡娮杼?huì)使6N137耗電增大，加大對(duì)電源的沖擊，使旁路電容無(wú)法吸收，而干擾整個(gè)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(jí)是TTL輸入電路，且只有1到2個(gè)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(shí)間，當(dāng)RL=350Ω，CL=15pF時(shí)，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(hào)ui為低電平時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(wú)信號(hào)(Ui為低電平)時(shí)，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(shí)，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(gè)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(dòng)管需采用耐壓較高的晶體管(圖中驅(qū)動(dòng)管為3DG27)。當(dāng)輸出電壓增大時(shí)，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(dòng)功率及抗干擾能力)用于延時(shí)電路，當(dāng)其接通電源后經(jīng)R4，B6驅(qū)動(dòng)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(cè)電路。當(dāng)門關(guān)閉時(shí)，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(shí)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(dòng)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(duì)C1充電，電路進(jìn)入延時(shí)狀態(tài)。C1開始對(duì)R3放電，經(jīng)一段時(shí)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(lái)，實(shí)現(xiàn)延時(shí)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(dòng)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(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用推廣( 有時(shí)一臺(tái)微機(jī)上的用量可達(dá)十幾個(gè)甚至上百個(gè)) 和產(chǎn)品性能的逐步提高, 光電耦合器的應(yīng)用市場(chǎng)將日益擴(kuò)大, 同時(shí), 其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)十分顯著 。
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