光電耦合器的發(fā)展及應(yīng)用

摘要：半導(dǎo)體光電耦合器現(xiàn)已發(fā)展成為一類特殊的半導(dǎo)體隔離器件。它體積小、壽命長、無觸點(diǎn)、抗干擾、能隔離，并具有單向信號(hào)傳輸和容量連接等功能。文中介紹了光電耦合器的典型結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)以及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，最后給出了半導(dǎo)體電隔離耦合器件的多種應(yīng)用電路實(shí)例。

關(guān)鍵詞：發(fā)光器件

光接收器件輸入輸出光電耦合器

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和光電子學(xué)的發(fā)展，一種能有效地隔離噪音和抑制干擾的新型半導(dǎo)體器件——光電耦合器于1966年問世了。光電耦合器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、壽命長、無觸點(diǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、能隔離噪音、工作溫度寬，輸入輸出之間電絕緣，單向傳輸信號(hào)及邏輯電路易連接等。光電耦合器按光接收器件可分為有硅光敏器件（光敏二極管、雪崩型光敏二極管、PIN光敏二極管、光敏三極管等）、光敏可控硅和光敏集成電路。把不同的發(fā)光器件和各種光接收器組合起來，就可構(gòu)成幾百個(gè)品種系列的光電耦合器，因而，該器件已成為一類獨(dú)特的半導(dǎo)體器件。其中光敏二極管加放大器類的光電耦合器隨著近年來信息處理的數(shù)字化、高速化以及儀器的系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，其需求量不斷增加。

1光電耦合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

光電耦合器的主要結(jié)構(gòu)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，光接收器件由于光敏效應(yīng)而在光照后產(chǎn)生光電流并由輸出端輸出。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)成了一種中間通過光傳輸信號(hào)的新型半導(dǎo)體電子器件。光電耦合器的封裝形式一般有管形、雙列直插式和光導(dǎo)纖維連接三種。圖1是三種系列的光電耦合器電路圖。

光電耦合的主要特點(diǎn)如下：

●輸入和輸出端之間絕緣，其絕緣電阻一般都大于10

10Ω，耐壓一般可超過1kV，有的甚至可以達(dá)到10kV以上。

●由于“光”傳輸?shù)膯蜗蛐?，所以信?hào)從光源單向傳輸?shù)?strong>光接收器時(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。

●由于發(fā)光器件（砷化鎵紅外二極管）是阻抗電流驅(qū)動(dòng)性器件，而噪音是一種高內(nèi)阻微電流電壓信號(hào)。因此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。

●容易和邏輯電路配合。

●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。

●無觸點(diǎn)、壽命長、體積小、耐沖擊。

2光電耦合器的發(fā)展現(xiàn)狀

日本光電耦合器的市場雖不太大，但卻以40%的年增長率增大，其主要原因是每一個(gè)程序控制器里都要用到20～30個(gè)甚至更多的光電耦合器?，F(xiàn)在，光電耦合器已顯示出一種朝大容量和高速度方向發(fā)展的明顯趨勢。美、日兩國生產(chǎn)的光電耦合器以紅外發(fā)光二極管和光敏器件管組成的器件為主，該類器件大約占整個(gè)美、日兩國生產(chǎn)的全部光電耦合器的60%左右。因?yàn)檫@種類型的器件不僅電流傳輸效率高（一般為7～30%），而且響應(yīng)速度比較快（2～5μs），因而能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場合要求。日本橫河電機(jī)公司用GaAsP紅外發(fā)光二極管作輸入端，PIN光電二極管作接收端制成的三種高速光電耦合器的絕緣電壓都在3000伏以上，其中5082—43610型超高速數(shù)字光電耦合器和5082—4361型高共模抑制型光電耦合器的響應(yīng)速度均可達(dá)到10Mb/s，它們的電流傳輸效率高達(dá)60%以上。美國莫托羅拉公司生產(chǎn)的4N25、4N26、4N27型光電耦合器屬于三極管輸出型光電耦合器[2]，這種光電耦合器具有很高的輸入、輸出絕緣性能，其頻率響應(yīng)可達(dá)300kHz，而開關(guān)時(shí)間只有幾微秒。

在日本電氣公司（NEC）生產(chǎn)的高速光電耦合器中，PS2101型光電耦合器是一種通用的四腳扁平組件，它采用砷鋁鎵紅外發(fā)光二極管和硅光電晶體管組合而成，并將其封裝4×4.4×2立方毫米的體積之內(nèi)，其響應(yīng)速度為10μs。而PS2041和PS2042型光電耦合器則是將砷鋁鎵發(fā)光二極管和光電晶體管集成在同一襯底上的六腳封裝組件，它們的大小為7.08×7.6×3.5立方毫米，響應(yīng)時(shí)間為0.3μs。

近幾年來，國內(nèi)有關(guān)單位投入大量人力物力也研究和開發(fā)了各種光電耦合器件。如上海半導(dǎo)體器件八廠、上海無線電十七廠等。而重慶光電技術(shù)研究所為了適應(yīng)市場需要研制出了一種由高速響應(yīng)發(fā)光器件和邏輯輸出型光接收放大器組成的厚膜集成雙路高速高增益電耦合器。這種光電耦合器的輸入端由兩只GaAIAs側(cè)面發(fā)光管組成，其輸出端由兩只Si—PIN光電探測器以及兩個(gè)高速高增益線性放大電路組成。圖2所示為其原理電路圖，除此之外，重慶光電技術(shù)研究所還研制出了高速高壓光電耦合器、GG2150I型射頻信號(hào)光電耦合器、GG2060I型高壓脈沖測量光電耦合器、GH1204U型高壓光傳輸光電耦合器以及GH1201Y型和GOHQ-I型光電耦合器等。

3典型應(yīng)用

3.1用作固體繼電器

光電耦合器是一種將發(fā)光二極管和光敏三極管組裝在一起的新穎光電器件，它采用光信號(hào)來傳遞信息，從而使電路的輸入與電氣上處于完全隔離的狀態(tài)，這種信息傳遞方式是所有采用變壓器和繼電器作隔離來進(jìn)行信號(hào)傳遞的一般解決方案所不能相比的。由于光電耦合器具有可單向傳遞信息、通頻帶寬、寄生反饋小、消噪能力強(qiáng)、抗電磁干擾性能好等特點(diǎn)，因而無論在數(shù)字電路還是在模擬電路中均得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

采用光電耦合器作固體繼電器具有體積小、耦合密切、驅(qū)動(dòng)功率小、動(dòng)作速度快、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。圖3所示是一個(gè)光電耦合器用作固體繼電器的實(shí)際電路圖，它的左半部分電路可用于將輸入的電信號(hào)Vi變成光電耦合器內(nèi)發(fā)光二極管發(fā)光的光信號(hào)；而右半部分電路則通過光電耦合器內(nèi)的光敏三極管再將光信號(hào)還原成電信號(hào)，所以這是一種非常好的電光與光電聯(lián)合轉(zhuǎn)換器件。圖中所用的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，由于它沒有一般電磁繼電器常見的實(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。

3.2

光電耦合器在電話保安裝置中應(yīng)用

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設(shè)計(jì)一個(gè)簡單實(shí)用的電話保安電路，其實(shí)隔電路如圖4所示。圖中，由VD1～VD4組成極性轉(zhuǎn)換電路。由于在將本保安器接入電話線路中時(shí)，不需要分清電話線路反饋電壓的極性，因此，使用該保安器可以給安裝帶來很大的方便。

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，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也處在斷開位置，電子報(bào)警蜂鳴器不發(fā)聲。

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6～100V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，這將使輸出端由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止而使阻值呈現(xiàn)無窮大，進(jìn)而使V的基極通過電阻R3獲得基流而導(dǎo)通，繼電器吸合使K-1觸點(diǎn)閉合，電阻R1被并接到電話線路中而使線路中的電壓進(jìn)一步下降到期伏以下，使電話不能被并機(jī)竊用，同時(shí)電話機(jī)因電壓不正常而不能工作，從而起到了防止電話線路被并機(jī)竊用或電話機(jī)被盜用的目的。與此同時(shí)，K-2閉合，接通電子蜂鳴器電源，使之發(fā)出報(bào)警聲。并將電子蜂鳴器外殼上的兩個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)亮發(fā)光。如果電話戶主接打電話，只需按一下SB使其斷開，即切斷保安器的供電電源即可。

該電話保安器的IC可選用4N25、4N36等型號(hào)的光電耦合器。繼電器K可選用工作電壓為直流6伏的JRX—12F等型號(hào)的繼電器。為縮小機(jī)殼體積，電池可選用6伏疊層電池。SB為常閉型按紐開關(guān)。B可選擇FMQ—27型、FMQ—35型電子蜂鳴器，其余參數(shù)均可按圖中標(biāo)注來選用。

3.3用光電耦合器代替音頻變壓器

在線性電路中，兩級(jí)放大器之間常用音頻變壓器作耦合。這種耦合的缺點(diǎn)是會(huì)在變壓器鐵芯片中損耗掉一部分功率，并可能造成某些失真。而如果選用光電耦合器來代替音頻變壓器就可以克服上述這些缺點(diǎn)。

目前，利用光電耦合器代替音頻變壓器的應(yīng)用電路有多種形式，圖5所示是比較實(shí)用的一種。當(dāng)輸入信號(hào)Vi經(jīng)三極管BG1、BG2前級(jí)放大之后，驅(qū)動(dòng)光電耦合器左邊的LED發(fā)光，并被右邊的光敏管全部吸收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)后級(jí)電路BG3放大，并由該管的發(fā)射極通過電容器C3后輸出一個(gè)不失真的放大信號(hào)V0。由于該電路將前后兩級(jí)放大器之間完全隔離，因而杜絕了地環(huán)路可能引起的干擾。同時(shí)由于該電路還具有消噪功能，因此避免了信號(hào)的失真。整個(gè)電路的總增益可望達(dá)到20dB以上，帶寬約120kHz。

另外，利用光電耦合器還可以構(gòu)成與門、或門、與非門等邏輯電路，以及隔離固體開關(guān)電路、雙穩(wěn)壓電路，斬波器和差分放大電路等多種電路。

4結(jié)論

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)中應(yīng)用的不斷擴(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)用市場將日益擴(kuò)大，同時(shí)，其社會(huì)交流和經(jīng)濟(jì)交流也一定會(huì)十分顯著。今后，光電耦合器將向高速化、高性能，小體積，輕重量的方向發(fā)展。