光电耦合器原理及应用.doc

光电耦合器原理及应用 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。如下图1（外形有金属圆壳封装，塑封双列直插等）。 工作原理 在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。 基本工作特性（以光敏三极管为例） 1、共模抑制比很高 在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。 2、输出特性 光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。当IF0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。其测试连线如图2，图中D、C、E三根线分别对应B、C、E极，接在仪器插座上。 3、光电耦合器可作为线性耦合器使用。 在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。 光电耦合器的测试 1、用万用表判断好坏，如图3，断开输入端电源，用R1k档测1、2脚电阻，正向电阻为几百欧，反向电阻几十千欧，3、4脚间电阻应为无限大。1、2脚与3、4脚间任意一组，阻值为无限大，输入端接通电源后，3、4脚的电阻很小。调节RP，3、4间脚电阻发生变化，说明该器件是好的。注：不能用R10k档，否则导致发射管击穿。 2、简易测试电路，如图（4），当接通电源后，LED不发光，按下SB，LED会发光，调节RP、LED的发光强度会发生变化，说明被测光电耦合器是好的。 光电耦合器具体应用 1.组成开关电路 图1电路中，当输入信号ui为低电平时，晶体管V1处于截止状态，光电耦合器B1中发光二极管的电流近似为零，输出端Q11、Q12间的电阻很大，相当于开关“断开”；当ui为高电平时，v1导通，B1中发光二极管发光，Q11、Q12间的电阻变小，相当于开关“接通”该电路因Ui为低电平时，开关不通，故为高电平导通状态同理，图2电路中，因无信号(Ui为低电平)时，开关导通，故为低电平导通状态 2组成逻辑电路 图3电路为“与门”逻辑电路。其逻辑表达式为P=AB.图中两只光敏管串联，只有当输入逻辑电平A=1、B=1时，输出P=1同理，还可以组成“或门”、“与非门”、“或非门”等逻辑电路 3组成隔离耦合电路 电路如图4所示这是一个典型的交流耦合放大电路适当选取发光回路限流电阻Rl，使B4的电流传输比为一常数，即可保证该电路的线性放大作用。 4组成高压稳压电路 电略如图5所示驱动管需采用耐压较高的晶体管(图中驱动管为3DG27)。当输出电压增大时，V55 的偏压增加，B5中发光二极管的正向电流增大，使光敏管极间电压减小，调整管be结偏压降低而内阻增大，使输出电压降低，而保持输出电压的稳定 5.组成门厅照明灯自动控制电路 电路如图6所示。A是四组模拟电子开关（S1S4）：S1，S2，S3并联（可增加驱动功率及抗干扰能力）用于延时电路，当其接通电源后经R4，B6驱动双向可控硅VT，VT直接控制门厅照明灯H；S4与外接光敏电阻Rl等构成环境光线检测电路。当门关闭时，安装在门框上的常闭型干簧管KD受到门上磁铁作用，其触点断开，S1，S2，S3处于数据开状态。晚间主人回家打开门，磁铁远离KD，KD触点闭合。此时9V电源整流后经R1向C1充电，C1两端电压很快上升到9V，整流电压经S1，S2，S3和R4使B6内发光管发光从而触发双向可控硅导通，VT亦导通，H点亮，实现自动照明控制作用。房门关闭后，磁铁控制KD，触点断开，9V电源停止对C1充电，电路进入延时状态。C1开始对R3放电，经一段时间延迟后，C1两端电压逐渐下降到S1，S2，S3的开启电压（1.5v)以下，S1，S2，S3恢复断开状态，导致B6截止，VT亦截止，H熄来，实现延时关灯功能。 IEC61312-1附录D关于雷电电磁耦合过程的全文如下： D1耦合机理： 为了实用目的同时为了使用带有集总参数的等效电路来进行研究，将耦合过程分为电阻性耦合、磁场耦合、电场耦合是有好处的。 由于直接雷击而对信息系统的瞬态耦合可起因于下列不同的机理： 电阻性耦合(例如：由于接地电阻或电缆屏蔽层电阻引起的耦合)。 磁场耦合(例如：由于装置构成的环路或连接线的电感引起的耦合)。 电场耦合(例如：由于杆状天线引起的耦合)。 由建筑物内设备引起的电场耦合通常比磁场耦合小。 耦合受以下因素影响： 接地 等电位连接 屏蔽 金属导体的走向与布局 D2电阻性耦合： 当建筑物遭到雷击时，入地的雷电流通常在防雷装置与远处大地之间产生几百 KV量级的电压，此电压值取决于接地电阻值。这是与建筑物有等电位连接并接至远处大地的外来导体(如电线)，有局部雷电流流过的原因。 电缆屏蔽层流过的局部雷电流导致在内部芯线与屏蔽层间产生电压。 D3磁场耦合： 雷电流不论其在导体中流过或在雷电通道中流过，都产生磁场，该磁场在远至100米的范围内，其强度正比于电流随时间的变化速率。 磁场强度H(t)是与传导雷电流i单一长直通路中心间的距离r成反比。 H(t)=i(t)2r 某些情况下可应用这一公式作简单的估算，但在大多数情况下应对磁场作详细的分析。 在磁场与导体有关联的地方，它就在环路(由这些导体构成)中产生与dH/dt成正比的电压。这就称之为磁感应。 D4电场耦合： 在形成主放电之前的瞬间必须考虑在整个雷击区(由雷击点起最远大约100米范围)内达到空气击穿放电场强(在500KVm的范围内)的各个场强。 主放电形成后，就必须考虑电场的衰减消失以及电场变化率，其值在500（KVm）/s范围内。 （二）雷电流电磁耦合过程分析 做为干扰源的雷电电流和雷击电磁场主要是通过路和场二种形式耦合干扰信息系统的电子设备的。 其一、通过导线传导，即通过设备的信号线、控制线、电源线等侵入设备，统称传导干扰。 其二、雷击周围空间存在的电场和磁场，会对邻近设备产生干扰，叫近场耦合干扰。当雷击能量以电磁波的形式向远处传输，从而干扰远处的设备时，称为远场辐射干扰。这两种形式可称为辐射干扰，即通过场的干扰。 1电流耦合： 当雷闪击在接闪器（或建筑物的金属构件）上，虽然接闪器、引下线和接地装置的阻值很小，但由于雷电流幅值大，陡度（di/dt）大，会在瞬间使引下线和接地装置的电位骤升上百千伏（对远处大地一零电位而言）。如图7所示，当di/dt=100KA/s时，在图中所示的回路上产生的感应电压Ust=200KV。同理，当有屏蔽层的电缆流过雷电流时，di/dt和屏蔽金属层的电阻也会使芯线与屏蔽层间产生感应电压。 在有相当高的电位差的引下线与建筑物内金属线缆之间、在屏蔽电缆的外皮与芯线之间、在不同的接地装置之间均有可能发生放电现象，这种现象称为闪络，跳击或反击。 2磁场耦合和电场耦合： 雷电通道中（或接闪器、引下线的导体中）的雷电流产生的电场和磁场会在闭合环路中产生感应电压，从而对环路（及环路中的设备产生干扰。在场的干扰中可分为近场（感应场）和远场（辐射场）当干扰源与设备的间距r相对于干扰信号的波长很大（r/2）时，干扰源的性质表现为辐射干扰源，其场的性质是辐射电磁场，其特点是电场和磁场同时存在，它们的比值（电磁波的波阻抗）Z=E/H=377。当r/2时为传导干扰源，其场的性质表现为传导干扰源，其场的性质主要表现为电场或主要表现为磁场，视干扰源的性质而定。高电压，电流小的源，其场主要为电场、Z377；电压低，电流大的源，其场主要表现为磁场，磁场的Z377。电场或磁场都属于近场（感应场、似稳态场、准稳态场），其干扰频率一般都比较低。 当空气击穿放电的电场强度值在500KV/m范围时，在从雷击点至100m的范围内，可能受电场影响耦合产生过电压，虽然此时雷击主放电尚未发生。在雷击发生之后，雷电电场衰减消失，这时电场的变化率在500（kV/m）/s范围内仍起耦合作用。 3电容耦合：（电场耦合） 任何两块金属之间都存在着电容，其间距越大，电容越小；金属块的尺寸越大，电容越大。雷电电场可通过场的形式（如上一节所述）耦合干扰设备。也可以通过流经的导体构成骚扰源电路干扰接收线路。由电容耦合在接收电路上产生的电压U2与雷电流流过的电路上电压U1关系式如下： U2= Z2/(Xcm+Z2)*U1，说明电场耦合量随频率升高而增加。 4横向干扰（线间） 骚扰电流在导线上传输时有共模方式和差模方式两种方式。IEC把在一组有效导体中任意两导体之间的电压称为差模电压或对称电压，也叫为横向电压，如图10所示的VL或VQ。差模电压是由差模电流流过而产生的，而差模电流则可能因雷击造成在不同导体（如