光耦合器(opticalcoupler,英文縮寫爲OC)亦稱光電隔離器或光電耦合器,簡稱光耦。它是以光爲媒介來傳輸電信號的器件,一般把發光器(紅外線發光二極管LED)與受光器(光敏半導體管)封裝在同一管殼內。[1]當輸入端加電信號時發光器發出光線,受光器接受光線以後就產生光電流,從輸出端流出,從而實現了「電—光—電」轉換。以光爲媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器,因爲它具備體積小、壽命長、無觸點,抗干擾能力強,輸出和輸入之間絕緣,單向傳輸信號等優勢,在數字電路上得到普遍的應用。html
光電耦合器分爲兩種:一種爲非線性光耦,另外一種爲線性光耦。安全
非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的,這類光耦適合於開關信號的傳輸,不適合於傳輸模擬量。經常使用的4N系列光耦屬於非線性光耦。app
線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線,而且小信號時性能較好,能以線性特性進行隔離控制。經常使用的線性光耦是PC817A—C系列。性能
開關電源中經常使用的光耦是線性光耦。若是使用非線性光耦,有可能使振盪波形變壞,嚴重時出現寄生振盪,使數千赫的振盪頻率被數十到數百赫的低頻振盪依次爲號調製。由此產生的後果是對彩電,彩顯,VCD,DCD等等,會在圖像畫面上產生干擾。同時電源帶負載能力降低。在彩電,顯示器等開關電源維修中若是光耦損壞,必定要用線性光耦代換。經常使用的4腳線性光耦有PC817A----C。PC111 TLP521等經常使用的六腳線性光耦有:LP632 TLP532 PC614 PC714 PS2031等。經常使用的4N25 4N26 4N35 4N36是不適合用於開關電源中的,由於這4種光耦均屬於非線性光耦。url
光耦合器的主要優勢是單向傳輸信號,輸入端與輸出端徹底實現了電氣隔離,抗干擾能力強,使用壽命長,傳輸效率高。[3]它普遍用於電平轉換、信號隔離、級間隔離、開關電路、遠距離信號傳輸、脈衝放大、固態繼電器(SSR)、儀器儀表、通訊設備及微機接口中。spa
當電信號送入光電耦合器的輸入端時,發光二極體經過電流而發光,光敏元件受到光照後產生電流,CE導通;當輸入端無信號,發光二極體不亮,光敏三極管截止,CE不通。對於數位量,當輸入爲低電平「0」時,光敏三極管截止,輸出爲高電平「1」;當輸入爲高電平「1」時,光敏三極管飽和導通,輸出爲低電平「 0」。若基極有引出線則可知足溫度補償、檢測調製要求。這種光耦合器性能較好,價格便宜,於是應用普遍。htm
(1)光電耦合器的輸入阻抗很小,只有幾百歐姆,而干擾源的阻抗較大,一般爲105~106Ω。據分壓原理可知,即便干擾電壓的幅度較大,但饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會很小,只能造成很微弱的電流,因爲沒有足夠的能量而不能使二極體發光,從而被抑制掉了。
(2)光電耦合器的輸入迴路與輸出迴路之間沒有電氣聯繫,也沒有共地;之間的分佈電容極小,而絕緣電阻又很大,所以迴路一邊的各類干擾雜訊都很難經過光電耦合器饋送到另外一邊去,避免了共阻抗耦合的干擾信號的產生。
(3)光電耦合器可起到很好的安全保障做用,即便當外部設備出現故障,甚至輸入信號線短接時,也不會損壞儀表。由於光耦合器件的輸入迴路和輸出迴路之間能夠承受幾千伏的高壓。
(4)光電耦合器的迴應速度極快,其迴應延遲時間只有10μs左右,適於對迴應速度要求很高的場合。
光電隔離技術的應用
微機介面電路中的光電隔離
微機有多個輸入埠,接收來自遠處現場設備傳來的狀態信號,微機對這些信號處理後,輸出各類控制信號去執行相應的操做。在現場環境較惡劣時,會存在較大的雜訊干擾,若這些干擾隨輸入信號一塊兒進入微機系統,會使控制準確性下降,產生誤動做。於是,可在微機的輸入和輸出端,用光耦做介面,對信號及雜訊進行隔離。典型的光電耦合電路如圖6所示。該電路主要應用在「A/D轉換器」的數位信號輸出,及由CPU發出的對前向通道的控制信號與類比電路的介面處,從而實如今不一樣系統間信號通路相聯的同時,在電氣通路上相互隔離,並在此基礎上實現將類比電路和數位電路相互隔離,起到抑制交叉串擾的做用。
遠距離的隔離傳送
在電腦應用系統中,因爲測控系統與被測和被控設備之間不可避免地要進行長線傳輸,信號在傳輸過程當中很易受到干擾,致使傳輸信號發生畸變或失真;另外,在經過較長電纜鏈接的相距較遠的設備之間,常因設備間的地線電位差,致使地環路電流,對電路造成差模干擾電壓。爲確保長線傳輸的可靠性,可採用光電耦合隔離措施,將2個電路的電氣鏈接隔開,切斷可能造成的環路,使他們相互獨立,提升電路系統的抗干擾性能。若傳輸線較長,現場干擾嚴重,可經過兩級光電耦合器將長線徹底「浮置」起來,如圖8所示。 圖八 傳輸長線的光耦浮置處理get
長線的「浮置」去掉了長線兩端間的公共地線,不但有效消除了各電路的電流經公共地線時所產生雜訊電壓造成相互竄擾,並且也有效地解決了長線驅動和阻抗匹配問題;同時,受控設備短路時,還能保護系統不受損害。
過零檢測電路中的光電隔離
零交叉,即過零檢測,指交流電壓過零點被自動檢測進而產生驅動信號,使電子開關在此時刻開始開通。現代的零交叉技術已與光電耦合技術相結合。圖9爲一種單片機數控交流調壓器中可以使用的過零檢測電路。圖九 ,英國ISOCOM公司光耦過零檢測
220V交流電壓經電阻R1限流後直接加到2個反向並聯的光電耦合器GD1,GD2的輸入端。在交流電源的正負半周,GD1和GD2分別導通,U0輸出低電平,在交流電源正弦波過零的瞬間,GD1和GD2均不導通,U0輸出高電平。該脈衝信號經反閘整形後做爲單片機的中斷請求信號和可控矽的過零同步信號。注意事項(1)在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別採用獨立的電源,若兩端共用一個電源,則光電耦合器的隔離做用將失去意義。(2)當用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時,必須對全部的信號(包括數位量信號、控制量信號、狀態信號)所有隔離,使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯繫,不然這種隔離是沒有意義的。