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光電耦合�
閱讀�21104時間�2010-10-15 16:24:17

  光電耦合�(簡稱光�),是一種把�(fā)光元件和光敏元件封裝在同一殼體�(nèi),中間通過電→光→電的�(zhuǎn)換來傳輸電信號的半導(dǎo)�光電子器�。光�耦合�可根�(jù)不同要求,由不同種類的發(fā)光元件和光敏元件組合成許多系列的光電耦合器�

非線性的克服

  光電耦合器的輸入端是�(fā)光二極管,因此,它的輸入特性可用發(fā)光二極管的伏安特性來表示,如�1b所示;輸出端是光敏三極�,因此光敏三極管的伏安特性就是它的輸出特�,如�1c所示。由圖可�,光電耦合器存在著非線性工作區(qū)域,直接用來傳輸模擬量時精度較差�

光電耦合器結(jié)構(gòu)及輸入、輸出特性

  �1 光電耦合器結(jié)�(gòu)及輸�、輸出特�

  解決方法之一,利�2個具有相同非線性傳輸特性的光電耦合�,T1和T2,以�2個射極跟隨器A1和A2組成,如�2所示。如果T1和T2是同型號同批次的光電耦合�,可以認為他們的非線性傳輸特性是完全一致的,即K1(I1)=K2(I1),則放大器的電壓增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=(R3/R2)[K1(I1)/K2(I1)]=R3/R2。由此可�,利用T1和T2電流傳輸特性的對稱�,利用反饋原�,可以很好的補償他們原來的非線性�

光電耦合線性電路

  �2 光電耦合線性電�

  另一種模擬量傳輸?shù)慕鉀Q方法,就是采用VFC(電壓頻率�(zhuǎn)�)方式,如�3所�?,F(xiàn)場變送器輸出模擬量信�(假設(shè)電壓信號),電壓頻率轉(zhuǎn)換器將變送器送來的電壓信號轉(zhuǎn)換成脈沖序列,通過光耦隔離后送出。在主機�(cè),通過一個頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將脈沖序列還原成模擬信號。此�,相�(dāng)于光耦隔離的是數(shù)字量,可以消除光耦非線性的影響。這是一種有�、簡單易行的模擬量傳輸方式�

VFC方式傳送信號

  �3 VFC方式傳送信�

  �(dāng)�,也可以選擇線性光耦進行�(shè)計,如精密線性光耦TIL300,高速線性光�6N135/6N136。線性光耦一般價格比普通光耦高,但是使用方�,設(shè)計簡�;隨著器件價格的下降,使用線性光耦將是趨��

提高傳輸速度

  �(dāng)采用光耦隔離數(shù)字信號進行控制系統(tǒng)�(shè)計時,光電耦合器的傳輸特�,即傳輸速度,往往成為系統(tǒng)�(shù)�(jù)傳輸速率的決定因�。在許多總線式結(jié)�(gòu)的工�(yè)測控系統(tǒng)�,為了防止各模塊之間的相互干�,同時不降低通訊波特率,我們不得不采用高速光耦來實現(xiàn)模塊之間的相互隔�。常用的高速光耦有6N135/6N136�6N137/6N138。但�,高速光耦價格比較高,導(dǎo)致設(shè)計成本提�。這里介紹兩種方法來提高普通光耦的開關(guān)速度�

  由于光耦自身存在的分布電容,對傳輸速度造成影響,光敏三極管�(nèi)部存在著分布電容Cbe和Cce,如�1所示。由于光耦的電流傳輸比較�,其集電極負載電阻不能太小,否則輸出電壓的擺幅就受到了限�。但�,負載電阻又不宜過大,負載電阻RL越大,由于分布電容的存在,光電耦合器的頻率特性就越差,傳輸延時也越長�

光敏三極管內(nèi)部分布電容

  �1 光敏三極管內(nèi)部分布電�

  �2只光電耦合器T1,T2接成互補推挽式電路,可以提高光耦的開關(guān)速度,如�2所�。當(dāng)脈沖上升為�1”電平時,T1截止,T2�(dǎo)�。相�,當(dāng)脈沖為�0”電平時,T1�(dǎo)�,T2截止。這種互補推挽式電路的頻率特性大大優(yōu)于單個光電耦合器的頻率特��

2只光電耦合器構(gòu)成的推挽式電路

  �2 2只光電耦合器構(gòu)成的推挽式電�

  此外,在光敏三極管的光敏基極上增加正反饋電路,這樣可以大大提高光電耦合器的開關(guān)速度。如�3所示電�,通過增加一個晶體管,四個電阻和一個電�,實驗證明,這個電路可以將光耦的�(shù)�(jù)傳輸速率提高10倍左��

通過增加光敏基極正反饋來提高光耦的開關(guān)速度

  �3 通過增加光敏基極正反饋來提高光耦的開關(guān)速度

特點

  具有體積小、使用壽命長、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強.無觸點且輸入與輸出在電氣上完全隔離等�

選取原則

  在設(shè)計光耦光電隔離電路時必須正確選擇光耦合器的型號及參�(shù),選取原則如下:

  (1)由于光電耦合器為信號單向傳輸器件,而電路中�(shù)�(jù)的傳輸是雙向的,電路板的尺寸要求一�,結(jié)合電路設(shè)計的實際要求,就要選擇單芯片集成多路光耦的器件�

  (2)光耦合器的電流傳輸�(CTR)的允許范圍是不小�500%。因為當(dāng)CTR<500%時,光耦中的LED就需要較大的工作電流(>5.0 mA),才能保證信號在長線傳輸中不�(fā)生錯誤,這會增大光耦的功��

  (3)光電耦合器的傳輸速度也是選取光耦必須遵循的原則之一,光耦開�(guān)速度過慢,無法對輸入電平做出正確反應(yīng),會影響電路的正常工��

  (4)推薦采用線性光耦。其特點是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)�。設(shè)計中由于電路輸入輸出均是一種高低電平信�,故�,電路工作在非線性狀�(tài)。而在線性應(yīng)用中,因為信號不失真的傳�,所�,應(yīng)根據(jù)動態(tài)工作的要求,�(shè)置合適的靜態(tài)工作�,使電路工作在線性狀�(tài)�

  通常情況�,單芯片集成多路光耦的器件速度都比較慢,而速度快的器件大多都是單路�,大量的隔離器件需要占用很大布板面積,也使得設(shè)計的成本大大增加。在�(shè)計中,受電路板尺�、傳輸速度、設(shè)計成本等因素限制,無法選用速度上非常占�(yōu)勢的單路光耦器件,在此選用TOSHIBA公司的TLP521-4�

組成的觸摸開�(guān)電路�

  大多�(shù)觸摸控制電路都是利用人體上的感應(yīng)信號使電路發(fā)生“動作”的。如果用手指捏住示波器的輸入端子,觀察示波器上的波形,就會發(fā)�(xiàn),人體上的感�(yīng)信號,實際上就是50Hz的工頻信�。采用這種控制電路很容易受外部干擾而產(chǎn)生誤動作。如圖所示為光電耦合器組成的觸摸開關(guān)電路,它可以有效避免因干擾而產(chǎn)生的誤動��

  工作原理:電容C5、穩(wěn)壓管VDW、二極管VD2、電容C4和電阻R6等組成的電路為控制部分提供約12V的直流工作電�。當(dāng)手觸摸金屬片S時,氖管N被點燃發(fā)�,由于N和光敏電阻RG組成光電耦合�,故這時RG的阻值變得很�,使集成電路NE555�2腳上的電位下降到低于電源電壓�1/3,由于NE555被接成了單穩(wěn)�(tài)觸發(fā)器,所以NE555�3腳給出一個正脈沖,加到了集成電路CD4017的計�(shù)觸發(fā)�14腳,使CD4017計數(shù)一�。另外,該電路在接通電源時,由于電容C3和電阻R4的微分作用,給CD4017的復(fù)位清零端加上一個正的觸�(fā)脈沖,使CD4017處于被清零的狀�(tài),即它的10個輸出端�,除了Q0為高電平�,其余的9個輸出端(Q1~Q9)都是低電平,所以經(jīng)過這一次計�(shù)之后,Q1變成高電�,通過電阻R5給雙向晶閘管VS的控制端注入觸發(fā)電流,使VS進入�(dǎo)通狀�(tài),于是負載得電開始工�。被接成了單�(wěn)�(tài)觸發(fā)器的NE555,在�3腳輸出一個正脈沖之后,由于C1通過NE555�7腳放�,使�6腳上的電位又恢復(fù)到了零電�,另�,觸摸S的手指離開S之后,NE555�2腳上的電位重新恢�(fù)到電源電壓的1/3以上,這就為下一次觸摸作好了�(zhǔn)�。在負載處于工作狀�(tài)�,如果再觸摸金屬片S一下,NE555也同樣會給CD4017送去一個計�(shù)觸發(fā)脈沖,使CD4017進行一次計�(shù),這次計數(shù)將使Q1變成零電�,從而使VS截止,負載失電而停止工�,與此同�,Q2端變成高電位,這個高電位,又�(jīng)過二極管VD1加到了CD4017�15腳上,使CD4017�(fù)位清�,從而為下一次觸摸開�(接通負�)做好了準(zhǔn)�。以NE555為核心構(gòu)成的單穩(wěn)�(tài)觸發(fā)器的作用是避免觸摸抖動造成CD4017的重�(fù)計數(shù),即保證S被觸摸一�,CD4017只計�(shù)一�,從而保證了操作�(jié)果不致出�(xiàn)錯誤�

  元器件選擇:IC1選擇NE555時基電路;IC2選擇CD4017。氖管N選擇普通氖�,光敏電阻RG選擇MG45型號。其他元器件選擇如圖所��

光電耦合器組成的觸摸開關(guān)電路圖

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