光電耦合器的工作原理

光電耦合器是一種把紅外光發(fā)射器件和紅外光接受器件以及信號(hào)處理電路等封裝在同一管座內(nèi)的器件。當(dāng)輸入電信號(hào)加到輸入端發(fā)光器件LED上，LED發(fā)光，光接受器件接受光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后將電信號(hào)直接輸出，或者將電信號(hào)放大處理成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電平輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了“電－光－電”的轉(zhuǎn)換及傳輸，光是傳輸?shù)拿浇椋蚨斎攵伺c輸出端在電氣上是絕緣的，也稱為電隔離。

光電耦合器，是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種半導(dǎo)體光電器件，由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、工作溫度寬及無(wú)觸點(diǎn)輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在電子技術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中，它可以代替繼電器、變壓器、斬波器等，而用于隔離電路、開(kāi)關(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯電路、過(guò)流保護(hù)、長(zhǎng)線傳輸、高壓控制及電平匹配等。

為使讀者了解與應(yīng)用光電耦合器，今介紹幾種光電耦合器件及應(yīng)用電路.

1．器件選擇

（1）三極管輸出型光電耦合器

三極管輸出型光電耦合器電路如圖46—1中（a）所示，它是由兩部分組成的。其中，1、2端為輸入端，通常由發(fā)光器件構(gòu)成；4、5、6端接一只光敏三極管構(gòu)成輸出端，當(dāng)接收到發(fā)射端發(fā)出的紅外光后，在三極管集電極中便有電流輸出。

圖46-1

三極管輸出型光電耦合器的特點(diǎn)，是具有很高的輸入輸出絕緣性能，頻率響應(yīng)可達(dá)300kHz，開(kāi)關(guān)時(shí)間數(shù)微秒。

（2）可控硅輸出型光耦合器

可控硅輸出型光耦合器的電路如圖46?中（b）所示。該器件為六腳雙列式封裝。當(dāng)1、2端加入輸入信號(hào)后，發(fā)射管發(fā)出的紅外光被接在4、5、6腳的光敏可控硅接收，使其導(dǎo)通。它可應(yīng)用在低電壓電子電路控制高壓交流回路的開(kāi)啟。

（3）光耦合的可控硅開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器

圖46—2中（a）為光敏雙向開(kāi)關(guān)器件；圖46?中（b）為過(guò)零控制電路及光敏雙向開(kāi)關(guān)器件組合體。它們的工作原理是：利用輸入端紅外光控制輸出端的光敏雙向開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，進(jìn)而觸發(fā)外接雙向可控硅導(dǎo)通，達(dá)到控制負(fù)載接入交流220V回路的目的。圖中（a）為非過(guò)零控制，圖中（b）為過(guò)零控制。本驅(qū)動(dòng)器有非常好的輸入與輸出絕緣性，可構(gòu)成固態(tài)繼電器的控制電路，其輸出的控制功率由可控允許功率決定。

圖46-2

（4）達(dá)林頓管輸出的光檢測(cè)器

達(dá)林頓管輸出的光檢測(cè)器如圖46?中（a）所示。它是由兩只管子組成復(fù)合管，具有很高的電流放大能力，形成下一級(jí)或負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電流，有較強(qiáng)的光檢測(cè)靈敏度。

（5）數(shù)字電路光耦合器

數(shù)字電路光耦合器電路如圖46?中（b）所示。光耦合器輸出為施密特觸發(fā)電路形式，其特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、數(shù)字邏輯可靠，應(yīng)用于計(jì)算機(jī)接口、數(shù)控電源及電動(dòng)機(jī)控制中。

（6）雙向開(kāi)關(guān)觸發(fā)器輸出的光檢測(cè)器

圖46—3中的（c）為雙向開(kāi)關(guān)觸發(fā)器輸出的光檢測(cè)器電路。該圖為三端器件，內(nèi)部是光敏雙向開(kāi)關(guān)器件，收到紅外光線后，雙向開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，觸發(fā)外接可控硅導(dǎo)通，使負(fù)載接入220V回路中。

圖46-3

2．應(yīng)用電路

（1）開(kāi)關(guān)電路

對(duì)于開(kāi)關(guān)電路，往往要求控制電路和開(kāi)關(guān)電路之間要有很好的電隔離，這對(duì)于一般的電子開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)是很難做到的，但采用光電耦合器就很容易實(shí)現(xiàn)了。圖46?中（a）所示電路就是用光電耦合器組成的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)電路。

在圖中，當(dāng)無(wú)脈沖信號(hào)輸入時(shí)，三極管BG處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)光二極管無(wú)電流流過(guò)不發(fā)光，則a、b兩端電阻非常大，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“斷開(kāi)”。當(dāng)輸入端加有脈沖信號(hào)時(shí)，BG導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)光，則a、b兩端電阻變得很小，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“接通”。故稱無(wú)信號(hào)時(shí)開(kāi)關(guān)不通，為常開(kāi)狀態(tài)。

圖46—4中（b）所示電路則為“帶閉”狀態(tài)，因?yàn)闊o(wú)信號(hào)輸入時(shí)，雖BG截止，但發(fā)光二極管有電流通過(guò)而發(fā)光，使a、b

圖46-4

兩端處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“接通”。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，BG導(dǎo)通，由于BG的集電結(jié)壓降在0．3V以下，遠(yuǎn)小于發(fā)光二極管的正向?qū)妷海园l(fā)光二極管無(wú)電流流過(guò)不發(fā)光，則a、b兩端電阻極大，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“斷開(kāi)”，故稱“常閉”式。

可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)a、b端在電路中不受電位高低的限制，但在使用中應(yīng)滿足a端電位為正，b端為負(fù)，并使Uab＞3V為好，同時(shí)還應(yīng)注意Uab應(yīng)小于光電三極管的BVceo。

依據(jù)圖46—4的原理，光電耦合器可以組成如圖46—5中（a）、（b）等多種形式。

圖46-5

圖中（a）為單刀雙擲開(kāi)關(guān)電路，其中外接二極管D的作用，是保證輸入正脈沖信號(hào)時(shí)“od”組接通，“ob”組關(guān)斷。圖中（b）為雙刀雙擲開(kāi)關(guān)電路，無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，BG截止，“ob”與“od”組斷開(kāi)，“oa”與“oc”組接通；BG導(dǎo)通（即有信號(hào)輸入時(shí)），“ob”與“od”組接通，而“oa”與“oc”組斷開(kāi)。它們適于自動(dòng)控制和遙控設(shè)備中使用。

（2）光耦合的可控硅開(kāi)關(guān)電路

圖46—6中（a）所示電路為光耦合器構(gòu)成的可控硅開(kāi)關(guān)電路。可控硅SCR的觸發(fā)電壓取自電阻R，其大小由通過(guò)光電三極管的電流決定，直接由輸入電壓控制。該電路簡(jiǎn)單，控制端與輸出端有可靠的電隔離。

圖46-6

圖中（b）所示電路，為控制負(fù)載為純電阻（如白熾燈泡）的開(kāi)關(guān)電路，圖中R1的阻值由下式確定：R1＝V/1．2A，1．2A為雙向開(kāi)關(guān)的額定電流。當(dāng)主電網(wǎng)電壓為220V時(shí)，V＝/2·220=308V，則R1=308/1．2=250Ω．所以，可控硅SCR的規(guī)格應(yīng)依R1的大小進(jìn)行選擇。

當(dāng)開(kāi)關(guān)電路的負(fù)載為感性負(fù)載（如電動(dòng)機(jī)等），則由于流過(guò)感性負(fù)載（線圈）的電流與電壓的相位不同，需增加相應(yīng)元件，方能保證開(kāi)關(guān)電路的正常工作，如圖46?所示。

圖中雙向可控硅SCR的觸發(fā)電流，是由R3與C的不同數(shù)值而決定的，見(jiàn)表46—1。

表46—1 IG、R3及三者關(guān)系表

/IG(Ma)/R3(kΩ)/C(μF)

/15/2.4/0.1

/30/1.2/0.2

/50/0.8/0.3/

圖46—7的開(kāi)關(guān)電路，特別適于遙控時(shí)選用。

圖46-7

（3）電平轉(zhuǎn)換電路

對(duì)于不同電平的轉(zhuǎn)換電路或輸入、輸出電路的電位需要分開(kāi)時(shí)，采用光電耦合器就顯得十分方便了。

中圖46—9的（a）與（b）圖示電路，就是5V電源的TTL集成電路與15V電源的HTL集成電路，相互連接進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的基本電路。

圖46-9

圖（a）中，TTL門(mén)電路導(dǎo)通時(shí)，即輸出低電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通，光電三極管輸出高電平；TTL門(mén)電路截止時(shí)，發(fā)光二極管截止，光電三極管輸出低電平。

圖（b）中，則是利用TTL截止輸出高電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通，光電三極管輸出低電平；TTL導(dǎo)通輸出低電平，發(fā)光二極管截止，光電三極管輸出高電平。

在進(jìn)行具體應(yīng)用時(shí)，因CMOS集成電路在低電平時(shí)的電流只有1～2mA，難以直接驅(qū)動(dòng)所接的負(fù)載，故一般需加一級(jí)三極管放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。

（5）高壓穩(wěn)壓電路

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，比較放大管需選用耐壓高的三極管，若利用光電耦合器的輸入與輸出間絕緣良好的特點(diǎn)，便可實(shí)現(xiàn)高壓控制。

圖46—10中的（a）與（b）所示的電路，就是利用光電耦合器的高壓穩(wěn)壓電路。

圖46-10

圖（a）中，當(dāng)輸出電壓因某種原因?qū)е律邥r(shí)，則BG5的偏壓增加，發(fā)光二極管的正向電流增大，使光電三極管集電結(jié)電壓減小，即引起調(diào)整管BG1發(fā)射結(jié)電壓下降，其集電結(jié)電壓上升，從而使原來(lái)升高的輸出電壓減小，保持輸出電壓的穩(wěn)定。BG3管為限流保護(hù)電路。光電耦合器是工作在放大狀態(tài)的。

（3）用于雙穩(wěn)態(tài)輸出的光耦合電路

圖46—8中（a）所示電路，為光電耦合器控制的雙穩(wěn)態(tài)輸出開(kāi)關(guān)電路，它的特點(diǎn)是由于光電耦合開(kāi)關(guān)接在兩管的發(fā)射極回路上，故能有效地解決輸出與負(fù)載間的隔離問(wèn)題。

圖46-8（a）

圖46—8中（b）所示電路為光電耦合開(kāi)關(guān)的施密特電路。當(dāng)輸入電壓U1為低電平時(shí)，光電三極管C、e間呈高電阻，BG1導(dǎo)通，BG2截止，則輸出電壓U0為低電平；當(dāng)輸入電壓U1大于鑒幅值時(shí)，光電三極管c、e間呈低電阻，則BG1截止，BG2導(dǎo)通，輸出的電壓U0為高電平。調(diào)節(jié)電阻R3，即改變鑒幅電平。