光电耦合器组成的开关电路及光电耦合器检测电路

 

光电耦合器组成的开关电路

 

 

光电耦合器检测电路

 

光电耦合器 , 检测法

 

 

XC2C64A-7VQ44I

其电路符号如图1. 5.1所示。
   

光电耦合器是把发光二极管和光电三极管封装在一个管壳内构成的

前面已介绍过，发光二极管是一种能将电能直接转换成光能的特殊二极管，加正向电压可发光；与发光二极管相反，光电管是一种能把光能转换成电能的半导体器件。它包括光电二极管和光电三极管两大类。
   

光电二极管是由PN结和有聚光作用的透镜组成。通常情况下，给PN结加反向偏置电压时，产生的反向饱和电流是很小的，但如果有光照射时，半导体电阻率会显著减小（光敏性），将激发产生光生载流子（电子空穴对），在反向电压作用下，光生载流子漂移通过PN结，使PN结由反向截止转换为反向导通。光电三极管是具有两个PN结的光电器件。它的工作原理与光咆二极管类似，只是它还利用了三极管的放大作用，因此灵敏度更高。
   

光电耦合器以发光二极管为输入端，光电三极管为输出端。当输入端有电信号输入时（发光二极管加正向电压），发光二极管发光，光电三极管因受光照产生光电流，输出端就有电信号输出。因此，光电耦合器是以光为媒介传输电信号的。其特点是输入和输出之间实现了电绝缘。
   

使用光电耦合器时应注意以下几个参数：
    ①隔离电阻：即发光二极管与光电三极管之间的绝缘电阻，一般在10～10Q之间。
    ②极间耐压：即发光二极管与光电三极管之间的耐压，一般在500V以上。
    ③最高工作频率：一般不超过lOOkHz。
   

光电耦合器主要用来实现微型计算机接口与各类控制对象之间的电气隔离，以增强抗干扰能力，提高系统工作的可靠性。图1·5.2电路是用于耦合脉冲信号的应用电路。当输入信号u，为低电平时，三极管VT截止，光电耦合器输入端的发光二极管无电流通过不发光，输出端光电三极管截止，输出电压口。为低电平；当输入信号Vi为高电平时，三极管VT饱和导通，发光二极管发光，光电三极管产生光电流，输出电压u。为高电平。
   

图1. 5.1光电耦合器电路符号    图1.5.2脉冲信号光电耦合电路

 

                 

光电耦合器使用常识

 在光电耦合器输入端接入正向电压，将指针式万用表仍然置于“R×100”电阻挡，红、黑表笔分别接光电耦合器输出端的两个引脚。如果有一次表针指数为无穷大（或电阻值较大），但红、黑表笔互换后却有很小的电阻值（＜100Ω），则此时黑表笔所接的引脚即为内部NPN型光敏三极管的集电极c、红表笔所接的引脚为发射极e。当切断输入端正向电压时，光敏三极管应截止，万用表指数应为无穷大。这样，不仅确定了4脚光电耦合器PC817的引脚排列，而且还检测出它的光传输特性正常。如果检测时万用表指针始终不摆动，则说明光电耦合器已损坏。






图1?光电耦合器的检测

需要说明的是：光电耦合器中常用红外发光二极管的正向导通电压较普通发光二极管要低，一般在1.3V以下，所以可以用指针式万用表的“R×100”电阻挡直接测量，并且图1（b）中的电池G电压取1.5V（用1节5号电池）即可。还可用图1（a）所示的万用表接线直接取代图1（b）所示的输入端所接正向电压（即电阻器R和电池G），使测量更方便，只不过需要增加一块万用表。
至于多通道光电耦合器的检测，应首先将所有发光二极管的管脚判别出来，然后再确定对应的光敏三极管的管脚。对于在线路的光电耦合器，最好的检测方法是“比较法”，即拆下怀疑有问题的光电耦合器，用万用表测量其内部二极管、三极管的正向和反向电阻值，并与好的同型号光电耦合器对应脚的测量值进行比较，若阻值相差较大，则说明被测光电耦合器已损坏。

2.鉴别器检测法。
笔者多年前曾根据光电耦合器的原理，设计制作了一个能够快速判断光电耦合器好坏的小巧鉴别器，其电路如图2所示。当将光电耦合器的输入、输出引脚分清极性后正确插入鉴别器的4个相应插孔内时，如果发光二极管VD1、VD2同步闪烁发光，则证明光电耦合器完好。如果VD1不闪烁发光，则说明光电耦合器内部发光管已开路；如果VD1闪烁发光，但VD2不亮或恒定发光，说明光电耦合器内部不是发光管失效就是光敏晶体管已开路或击穿损坏。




 

图2?光电耦合器鉴别器电路图 图3?自制光电耦合器

制作时，VD1用红色闪烁发光二极管，VD2用绿色普通发光二极管。R用RTX-1/8W型碳膜电阻器。4个管脚插孔可用0.4mm～0.6mm的裸铜丝，在一枚2号大头针上密绕十几圈，并在尾端留出长度大于3cm的焊接引线（应套上绝缘管），然后脱胎而成。G用4节5号干电池串联（6V）而成，如用4F20-6V型叠层干电池会更方便。整个电路可焊装在一个体积合适的塑料小盒内，面板开孔伸出两个发光二极管的管帽和4个插孔。注意：输入和输出插孔的间距不要超过1cm，各插孔伸出的引线长度不要小于2cm，便于灵活互换位置，以适应不同型号和引脚排列的光电耦合器检测。本装置不设电源开关，用毕拔掉光电耦合器，电源即被自动切断。

光电耦合器的结构及原理

   光电耦合器分为很多种类，图1所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“ 0”。若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。  

 

光电耦合器的抗干扰特性
光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号杂讯比大为提高，主要有以下几方面的原因：
（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105～106Ω。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。
（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
（3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。
（4）光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有10μs左右，适于对回应速度要求很高的场合。
       

 

 

常见光电耦合器的内部结构及引脚图

 

  图一 最常用的光电耦合器之内部结构图 三极管接收型  4脚封装

 

 

        图二 光电耦合器之内部结构图 三极管接收型  6脚封装

 

            图三 光电耦合器之内部结构图 双发光二极管输入 三极管接收型 4脚封装

                                            

 图四 光电耦合器之内部结构图 可控硅接收型  6脚封装

 

 

图五 光电耦合器之内部结构图 双二极管接收型  8脚封装

光电隔离技术的应用
微机介面电路中的光电隔离
微机有多个输入埠，接收来自远处现场设备传来的状态信号，微机对这些信号处理后，输出各种控制信号去执行相应的操作。在现场环境较恶劣时，会存在较大的杂讯干扰，若这些干扰随输入信号一起进入微机系统，会使控制准确性降低，产生误动作。因而，可在微机的输入和输出端，用光耦作介面，对信号及杂讯进行隔离。典型的光电耦合电路如图6所示。该电路主要应用在“A／D转换器”的数位信号输出，及由CPU发出的对前向通道的控制信号与类比电路的介面处，从而实现在不同系统间信号通路相联的同时，在电气通路上相互隔离，并在此基础上实现将类比电路和数位电路相互隔离，起到抑制交叉串扰的作用。

图六 光电耦合器接线原理
 
对于线性类比电路通道，要求光电耦合器必须具有能够进行线性变换和传输的特性，或选择对管，采用互补电路以提高线性度，或用V／F变换后再用数位光耦进行隔离。
功率驱动电路中的光电隔离
在微机控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过微机的I／O输出，而I／O的驱动能力有限，一般不足以驱动一些点磁执行器件，需加接驱动介面电路，为避免微机受到干扰，须采取隔离措施。如可控硅所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控制信号与可控硅触发电路进行隔离。电路实例如图7所示。

                       图七 双向可控硅（晶闸管）
 
在马达控制电路中，也可采用光耦来把控制电路和马达高压电路隔离开。马达靠MOSFET或IGBT功率管提供驱动电流，功率管的开关控制信号和大功率管之间需隔离放大级。在光耦隔离级—放大器级—大功率管的连接形式中，要求光耦具有高输出电压、高速和高共模抑制。
远距离的隔离传送
在电脑应用系统中，由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输，信号在传输过程中很易受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真；另外，在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，常因设备间的地线电位差，导致地环路电流，对电路形成差模干扰电压。为确保长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔离措施，将2个电路的电气连接隔开，切断可能形成的环路，使他们相互独立，提高电路系统的抗干扰性能。若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光电耦合器将长线完全“浮置”起来，如图8所示。

 

                  图八 传输长线的光耦浮置处理

长线的“浮置”去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各电路的电流经公共地线时所产生杂讯电压形成相互窜扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配问题；同时，受控设备短路时，还能保护系统不受损害。
过零检测电路中的光电隔离
零交叉，即过零检测，指交流电压过零点被自动检测进而产生驱动信号，使电子开关在此时刻开始开通。现代的零交叉技术已与光电耦合技术相结合。图9为一种单片机数控交流调压器中可使用的过零检测电路。 
 

                  图九 过零检测

220V交流电压经电阻R1限流后直接加到2个反向并联的光电耦合器GD1，GD2的输入端。在交流电源的正负半周，GD1和GD2分别导通，U0输出低电平，在交流电源正弦波过零的瞬间，GD1和GD2均不导通，U0输出高电平。该脉冲信号经反闸整形后作为单片机的中断请求信号和可控矽的过零同步信号。
注意事项
（1）在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。
（2）当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号（包括数位量信号、控制量信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。