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處理電路等封裝在同一管座內(nèi)的器件。當輸入電信號加到輸入端發(fā)光器件LED上,LED發(fā)光,光接受器件接受光信號并轉(zhuǎn)換成電信號,然后將電信號直接輸出,或者將電信號放大處理成標準數(shù)字電平輸出,這樣就實現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換及傳輸,光是傳輸?shù)拿浇?,因而輸入端與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)展起來的一種半導(dǎo)體光電器件,由于它具有體積小、壽命長、抗干擾能力強、工作溫度寬及無觸點輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點,被廣泛地應(yīng)用在電子技術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)自動控制領(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、開關(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯電路、過流保護、長線傳輸、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,是具有很高的輸入輸出絕緣性能,頻率響應(yīng)可達300kHz,開關(guān)時間數(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1、2端加入輸入信號后,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啟。
(3)光耦合的可控硅開關(guān)驅(qū)動器
圖46—2中(a)為光敏雙向開關(guān)器件;圖46?中(b)為過零控制電路及光敏雙向開關(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關(guān)導(dǎo)通,進而觸發(fā)外接雙向可控硅導(dǎo)通,達到控制負載接入交流220V回路的目的。圖中(a)為非過零控制,圖中(b)為過零控制。本驅(qū)動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)達林頓管輸出的光檢測器
達林頓管輸出的光檢測器如圖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,形成下一級或負載的驅(qū)動電流,有較強的光檢測靈敏度。
(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,其特點是響應(yīng)速度快、數(shù)字邏輯可靠,應(yīng)用于計算機接口、數(shù)控電源及電動機控制中。
(6)雙向開關(guān)觸發(fā)器輸出的光檢測器
圖46—3中的(c)為雙向開關(guān)觸發(fā)器輸出的光檢測器電路。該圖為三端器件,內(nèi)部是光敏雙向開關(guān)器件,收到紅外光線后,雙向開關(guān)器件導(dǎo)通,觸發(fā)外接可控硅導(dǎo)通,使負載接入220V回路中。
圖46-3
2.應(yīng)用電路
(1)開關(guān)電路
對于開關(guān)電路,往往要求控制電路和開關(guān)電路之間要有很好的電隔離,這對于一般的電子開關(guān)來說是很難做到的,但采用光電耦合器就很容易實現(xiàn)了。圖46?中(a)所示電路就是用光電耦合器組成的簡單開關(guān)電路。
在圖中,當無脈沖信號輸入時,三極管BG處于截止狀態(tài),發(fā)光二極管無電流流過不發(fā)光,則a、b兩端電阻非常大,相當于開關(guān)“斷開”。當輸入端加有脈沖信號時,BG導(dǎo)通,發(fā)光二極管發(fā)光,則a、b兩端電阻變得很小,相當于開關(guān)“接通”。故稱無信號時開關(guān)不通,為常開狀態(tài)。
圖46—4中(b)所示電路則為“帶閉”狀態(tài),因為無信號輸入時,雖BG截止,但發(fā)光二極管有電流通過而發(fā)光,使a、b
圖46-4
兩端處于導(dǎo)通狀態(tài),相當于開關(guān)“接通”。當有信號輸入時,BG導(dǎo)通,由于BG的集電結(jié)壓降在0.3V以下,遠小于發(fā)光二極管的正向?qū)妷?,所以發(fā)光二極管無電流流過不發(fā)光,則a、b兩端電阻極大,相當于開關(guān)“斷開”,故稱“常閉”式。
可見,開關(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,并使Uab>3V為好,同時還應(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時“od”組接通,“ob”組關(guān)斷。圖中(b)為雙刀雙擲開關(guān)電路,無輸入信號時,BG截止,“ob”與“od”組斷開,“oa”與“oc”組接通;BG導(dǎo)通(即有信號輸入時),“ob”與“od”組接通,而“oa”與“oc”組斷開。它們適于自動控制和遙控設(shè)備中使用。
(2)光耦合的可控硅開關(guān)電路
圖46—6中(a)所示電路為光耦合器構(gòu)成的可控硅開關(guān)電路??煽毓鑃CR的觸發(fā)電壓取自電阻R,其大小由通過光電三極管的電流決定,直接由輸入電壓控制。該電路簡單,控制端與輸出端有可靠的電隔離。
圖46-6
圖中(b)所示電路,為控制負載為純電阻(如白熾燈泡)的開關(guān)電路,圖中R1的阻值由下式確定:R1=V/1.2A,1.2A為雙向開關(guān)的額定電流。當主電網(wǎng)電壓為220V時,V=/2·220=308V,則R1=308/1.2=250Ω.所以,可控硅SCR的規(guī)格應(yīng)依R1的大小進行選擇。
當開關(guān)電路的負載為感性負載(如電動機等),則由于流過感性負載(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的開關(guān)電路,特別適于遙控時選用。
圖46-7
(3)電平轉(zhuǎn)換電路
對于不同電平的轉(zhuǎn)換電路或輸入、輸出電路的電位需要分開時,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,相互連接進行電平轉(zhuǎn)換的基本電路。
圖46-9
圖(a)中,TTL門電路導(dǎo)通時,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門電路截止時,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。
在進行具體應(yīng)用時,因CMOS集成電路在低電平時的電流只有1~2mA,難以直接驅(qū)動所接的負載,故一般需加一級三極管放大電路來驅(qū)動。
(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,便可實現(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,當輸出電壓因某種原因?qū)е律邥r,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)輸出開關(guān)電路,它的特點是由于光電耦合開關(guān)接在兩管的發(fā)射極回路上,故能有效地解決輸出與負載間的隔離問題。
圖46-8(a)
圖46—8中(b)所示電路為光電耦合開關(guān)的施密特電路。當輸入電壓U1為低電平時,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;當輸入電壓U1大于鑒幅值時,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。
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