贴片式光电耦合器的特点及应用

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光电耦合器是一种由发光器件和光敏器件组合构成的通用光电器件。它以光为媒介,完成电—光~电信号的变换及传输,把输入信号耦合到输出端。该器件具有体积小、无机械触头、抗干扰能力强、工作寿命长、输入及输出之间绝缘、能传输模拟信号及数字信号的特点,广泛地用予隔离电路、开关电路、电源电路、逻辑电路、电平转换电路、过流保护电路等。为满足各种电路不同的输入、输出性能要求,光电耦合器有不同的结构及特性,并形成系列,供用户选择。例如,其输人信号可以是直流或交流,其输出部分可以接不同的工作电压及输出不同的电流,它可以满足不同速度传输信号的要求等。光电耦合器种类繁多,目前极大多数的光耦输入部分采用砷化镓红外发光二极管,输出部分采用硅光电二极管、硅光电三极管及光触发可控硅。这是因为峰值波长900~940nm的砷化镓红外发光二极管能与硅光电器件的响应峰值波长相吻合,可获得较高的信号传输效率。

一、光耦的结构

光耦的内部结构(剖面)如图1所示。光耦输入部分大都是红外发光二极管,输出部分有不同的光敏器件,如图2所示。

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图1 光耦的内部结构(剖面)

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图2 光耦的结构示意图

这里要说明的是,图2(c)的输入部分有两个背对背的红外发光二极管,它用于交流输入的场合;图2(d)采用达林顿输出结构,它可使输出获得较大的电流;图2(e)、2(f)的输出由光触发双向可控硅组成,它们主要用来驱动交流负载。图2(e)与图2(f)的差别是图2(f)有过零触发控制(图中的"ZC"即"过零"的意思),而图2(e)没有过零触发控制电路。由于输入侧与输出侧之间存在分布电容,以及输出器件的结电容,它在高顿时对传输信号有影响。采用硅光电二极管的最高工作频率可达1MHz (TLP112)﹔面用硅光电点极管的最高工作频率要低一些,为500kHz;采用达林顿的则更低(约1kHz) 。


二、基本电路
    光耦的基本电路如图3所示。图3(a)的负载电阻RL接在发射极及地之间,图3(b)的负载电阻RL接在电源Vdd与集电极之间。

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图3 光耦的基本电路

在图3(a)中,输入端加上VCC电压,经限流电阻Rin后,有一定的电流IF流经红外发光二极管,IF与Vcc、发光二极管的正向压降VF及Rin的关系为:IF=(Vcc-VF)/Rin。式中的VF取1.3V。IF的最大值由资料给出(一般工作时IF≤10mA)。
    发光二极管发光后,光电三极管导通,集电极电流IC由Vdd经光电三极管流过RL到地,使输出电压Vout=Ic×RL(或Vout=Vdd-VCE,VCE为光电三极管的管压降)。图3(b)的工作原理与图3(a)相同,不再重复。图3中输入、输出也可用各自的地。从图3(a)可以看出;输入端不加Vcc电压,输出端Vout=0V,输入端加了Vcc电压,负载得电,这个功能相当于"继电器"。如果在输入端加幅值为5V的脉冲(如图4所示),输出端Vdd=12V,RL=10kΩ,则输出的脉冲幅值接近12V,从这功一能来看,相当于"变压器";若输入电压从0跃变到+5V,输出则从0跃变到接近12V,它又可用作电平转换。

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图4 光耦应用之电平转换
 

三、特点及应用范围

光耦的主要特点:输入与输出之间绝缘(绝缘电压可达数千伏);信号传输为单方向,输出信号不会对输入信号有影响;能传输模拟信号也可传输数字信号;抗干扰能力强;体积小、寿命长;由于无触头,因此抗振性强。近年来由于生产工艺改进,SMT的发展,开发出性能更好、尺寸更小的贴片式光耦,它由DIP6管脚封装改进成4管脚封装,不仅改小尺寸,并且减小了干扰,如图5所示,但有一些公司其管脚仍按6管脚排列。顶面有圆圈者为第1管脚。

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图5 光耦引脚示意图

由于该类器件有上述特点,它主要应用于隔离电路、开关电路、逻辑电路、信号长线传输、线性放大电路、隔离反馈电路、控制电路及电平转换电路等。


四、光耦主要参数
本文介绍NEC公司及TOSHIBA公司生产的一些常用的贴片式光耦及其主要参数。主要参数如图6所示。

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图6 光耦主要参数

这里要说明一下电流传输比(CTR)这个参数的意义。CTR是Current Transfer Ratio 的缩写。它是在一定工作条件下(IF及VCE),光耦的输出电流Ic与输入电流IF的比值,一般用百分比表示,其值低的从几到几十,高的从几十到几百,达林顿输出型可达上千。CTR大,则在同样的IF下,输出电流Ic大,驱动负载的能力也强(或者说IF较小可获得大的Ic)。


这里顺便指出,当用光电耦合器作交流信号传输时,必须考虑它的频率特性。采用GaAs发光二极管及硅光电三极管的光耦,其最高工作频率约为500kHz;其响应时间小于10μs。


在使用时要注意的红外发光二极管的反压VR一般是很低的,有的VR仅3V。因此在使用时输入端不能接反,防止红外发光二极管因反压过高而击穿(可在1脚、3脚接一个反向二极管来保护,如图4所示)。


五、光耦的简易测量方法
光电三极管输出的光耦是应用最广泛的,若顶面印刷字迹或圆点看不清楚,可采用指针式三用表来测量,确认哪个管脚是1脚,并且也可简易测出光耦的好坏。

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图7 光耦测量示意图

由于它是一个二极管及一个三极管c、e极组成的,所以用R×1k挡来测量是十分方便的。只要测出一个二极管:黑表笔接二极管的阳极,红表笔接二极管的阴极,其阻值约30kΩ,则黑表笔端即1脚。如图7所示,其它三种测量都应是R=∞(表笔不动)。若光电三极管的测量电阻不是∞,则此光耦不能用。

 

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