光耦合器的技術特性與應用

光耦合器的技術特性與應用
1.概述

  光耦合器(optical coupler,英文縮寫為OC)亦稱光電隔離器,簡稱光耦.光耦合器以光為媒介傳輸電信號.它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用,所以,它在各種電路中得到廣泛的應用.目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一.光耦合器一般由三部分組成:光的發射、光的接收及信號放大.輸入的電信號驅動發光二極體(LED),使之發出一定波長的光,被光探測器接收而產生光電流,再經過進一步放大后輸出.這就完成了電—光—電的轉換,從而起到輸入、輸出、隔離的作用.由於光耦合器輸入輸出間互相隔離,電信號傳輸具有單向性等特點,因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力.又由於光耦合器的輸入端屬於電流型工作的低阻元件,因而具有很強的共模抑制能力.所以,它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比.在計算機數字通信及實時控制中作為信號隔離的介面器件,可以大大增加計算機工作的可靠性.

  光耦合器的主要優點是:信號單向傳輸,輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離隔離,輸出信號對輸入端無影響,抗干擾能力強,工作穩定,無觸點,使用壽命長,傳輸效率高.光耦合器是70年代發展起來產新型器件,現已廣泛用於電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離
、脈衝放大電路、數字儀錶、遠距離信號傳輸、脈衝放大、固態繼電器(SSR)、儀器儀錶、通信設備及微機介面中.在單片開關電源中,利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路,通過調節控制端電流來改變占空比,達到精密穩壓目的.

十幾年來,新型光耦合器不斷湧現,滿足了各種光控制的要求.其應用範圍已擴展到計測儀器,精密儀器,工業用電子儀器,計算機及其外部設備、通信機、信號機和道路情報系統,電力機械等領域.這裡側重介紹該器件的工作特性,驅動和輸出電路及部分實際應用電路.

  近年來問世的線性光耦合器能夠傳輸連續變化的模擬電壓或模擬電流信號,使其應用領域大為拓寬.下面分別介紹光耦合器的工作原理及檢測方法.

2. 光耦合器的性能及類型

  從光耦合器的轉移特性與溫度的關係可以看出,若使光耦合器構成的模擬隔離電路穩定實用,則應盡量消除暗電流(ICBO)的影響,以提高線性度,做到靜態工作點IFQ隨溫度的變化而自動調整,以使輸出信號保持對稱性,使輸入信號的動態範圍隨溫度變化而自動變化,以抵消β值隨溫度變化的影響,保證電路工作狀態的穩定性.

2.1光耦合器的類型

  光耦合器有管式、雙列直插式和光導纖維式等封培育形式,其種類達數十種.光耦合器的種類達數十種,主要有通用型(又分無基極引線和基極引線兩種)、達林頓型、施密特型、高速型、光集成電路、光纖維、光敏晶閘管型(又分單向晶閘管、雙向晶閘管)、光敏場效應管型.此外還有雙通道式(內部有兩套對管)、高增益型、交-直流輸入型等等.國外生產廠家有英國ISOCOM公司等,國內廠家的蘇州半導體總廠等.

2.2線性光耦合器的產品分類

  線性光耦合器的典型產品及主要參數見表1,這些光耦均以光敏三極體作為接收管

表1典型線性光耦合器的主要參數

產品型號 CTR/% V(BR)CE0/V 生產廠 封裝型式

PC816A 80~160 70 Sharp DZP-4基極未引出

PC817A 80~160 35 Sharp

SFH610A-2 63~125 70 simens

NEC2501-H 80~160 40 NEC

CNY17-2 63~125 70 Motoroln DZP-4基極未引出

CNY17-3 100~200 70 simens

SFH600-1 63~125 70 simens

SFH600-2 100~200 70 simens

CNY75GA 63~125 90 Temic DZP-4基極未引出

CNY75GB 100~200 90 Temic

MOC8101 50~80 30 Motoroln

MOC8102 73~117 30 Motoroln

3.光耦合器的技術參數

  最重要的參數是電流放大係數傳輸比CTR(Curremt-Trrasfer Ratio).通常用直流電流傳輸比來表示.當輸出電壓保持恆定時,它等於直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比.當接收管的電流放大係數hFE為常數時,它等於輸出電流IC之比,通常用百分數來表示.有公式:

CTR=IC/ IF×100%

  採用一隻光敏三極體的光耦合器,CTR的範圍大多為20%~30%(如4N35),而PC817則為80%~160%,達林頓型光耦合器(如4N30)可達100%~500%.這表明欲獲得同樣的輸出電流,後者只需較小的輸入電流.因此,CTR參數與晶體管的hFE有某種相似之處.普通光耦合器的CTR-IF特性曲線呈非線性,在IF較小時的非線性失真尤為嚴重,因此它不適合傳輸模擬信號.線性光耦合器的CTR-IF特性曲線具有良好的線性度,特別是在傳輸小信號時,其交流電流傳輸比(ΔCTR＝ΔIC/ΔIF)很接近於直流電流傳輸比CTR值.因此,它適合傳輸模擬電壓或電流信號,能使輸出與輸入之間呈線性關係.這是其重要特性.在設計光耦反饋式開關電源時必須正確選擇線性光耦合器的型號及參數,選取原則如下: