工业与光纤耦合器

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1、耦合器在系统间传递功率的器件。 通信科技（一级学科）；通信原理与基本技术（二级学科） 在微波系统中, 往往需将一路微波功率按比例分成几路, 这就是功率分配问题。 实现这一功能的元件称为功率分配元器件即耦合器, 主要包括: 定向耦合器、 功率分配器以及各种微波分支器件。 这些元器件一般都是线性多端口互易网络光电耦合器介绍耦合器也叫适配器 简介光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它 由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内， 彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端， 常见的发光源为 发光二极管 ，受光器为光敏 二极管、光敏

2、三极管等等。光 电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、 光控晶闸管型、光电 达林顿型、集成电路型等。如下图 1（外形有金属圆 壳封装，塑封双列直插等）。 工作原理在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流 的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电 流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。 1、基本工作特性（以光敏三极管为例） 共模抑制比很高 耦合器在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF 以内） 所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制 比很高。 2、输出特性

3、光电耦合器的输出特性是指在一定的发光 电流 IF 下，光敏管所加偏置 电压 VCE 与输出电流 IC 之间的关系，当 IF=0 时，发光二极管不发光，此 时的光敏晶体管集电极输出电流称为 暗电流，一般很小。当 IF0 时，在一 定的 IF 作用下，所对应的 IC 基本上与 VCE 无关。IC 与 IF 之间的变化成 线性关系，用 半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体 三极管输出特性相似。 3、光电耦合器可作为 线性耦合器使用 在发光二极管上提供一个偏置电流，再把 信号电压通过电阻耦合到发 光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的

4、信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状 态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定 的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。 光电耦合器的测试1、用万用表判断好坏，如图 3，断开输入端电源，用 R1k 档测 1、2 耦合器脚电阻，正向电阻为几百欧，反向电阻几十千欧， 3、4 脚间电阻应为无限 大。1、2 脚与 3、4 脚间任意一组，阻值为无限大，输入端接通电源后， 3、4 脚的电阻很小。调节 RP，3、4 间脚电阻发生变化，说明该器件是好的。 注：不能用 R10k 档，否则导致发射管击穿。 2、简易测试电路，当接通电源后， LED 不发光，按

5、下 SB，LED 会发光， 调节 RP、LED 的发光强度会发生变化，说明被测光电耦合器是好的。 光电耦合器具体应用1.组成开关电路 当输入信号 ui 为低电平时，晶体管 V1 处于截止状态，光电耦合器 B1 中发光二极管的电流近似为零，输出端Q11、Q12 间的电阻很大，相当于开 关“断开”；当 ui 为高电平时， v1 导通，B1 中发光二极管发光， Q11、Q12 间的电阻变小，相当于开关 “接通”该电路因 Ui 为低电平时， 开关不通，故为高电平导通状态同理，因无信号 (Ui 为低电平)时，开关 导通，故为低电平导通状态 2组成逻辑电路 电路为“与门”逻辑电路。其 逻辑表达式 为 P=

6、AB.图中两只光敏管串 联，只有当输入 逻辑电平 A=1、B=1 时，输出 P=1同理，还可以组成 “或 门”、“与非门”、“或非门”等逻辑电路 3组成隔离耦合电路 电路如图 4 所示这是一个典型的交流耦合放大电路适当选取发光回 路限流电阻 Rl，使 B4 的电流传输比为一常数，即可保证该电路的线性放大 作用。 耦合器4组成高压稳压电路 驱动管需采用耐压较高的晶体管 (图中驱动管为 3DG27)。当输出电压 增大时，V55 的偏压增加， B5 中发光二极管的 正向电流增大，使光敏管极 间电压减小，调整管 be 结偏压降低而内阻增大，使输出电压降低，而保持 输出电压的稳定 5.组成门厅照明灯自动

7、控制电路 A 是四组模拟电子开关（ S1S4）：S1，S2，S3 并联（可增加驱动功率 及抗干扰能力）用于延时电路，当其接通电源后经R4，B6 驱动双向可控硅 VT，VT 直接控制门厅照明灯 H；S4 与外接光敏电阻 Rl 等构成环境光线检 测电路。当门关闭时，安装在门框上的常闭型干簧管KD 受到门上磁铁作用， 其触点断开， S1，S2，S3 处于数据开状态。晚间主人回家打开门，磁铁远 离 KD，KD 触点闭合。此时 9V 电源整流后经 R1 向 C1 充电，C1 两端电压很 快上升到 9V，整流电压经 S1，S2，S3 和 R4 使 B6 内发光管发光从而触发双 向可控硅导通， VT 亦导通

8、，H 点亮，实现自动照明控制作用。房门关闭后， 磁铁控制 KD，触点断开， 9V 电源停止对 C1 充电，电路进入延时状态。 C1 开始对 R3 放电，经一段时间延迟后， C1 两端电压逐渐下降到 S1，S2，S3 的开启电压（ 1.5v)以下，S1，S2，S3 恢复断开状态，导致 B6 截止，VT 亦截止，H 熄来，实现延时关灯功能。 编辑本段定向耦合器定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口 元件, 它是由耦合装置 联系 耦合器在一起的两对 传输系统构成的。 首先介绍定向耦合器的性能指标 , 然后 介绍波导双孔定向耦合器、双分支定向耦合器和平行耦合微带定向耦合器。 1)定向耦合器的性能指标

9、 定向耦合器是四端口网络 , 端口“”为输入端, 端口“”为直通 输出端, 端口“”为耦合输出端 , 端口“”为隔离端, 并设其散射 矩 阵为S。描述定向耦合器的性能指标有 : 耦合度、隔离度、 定向度、输 入驻波比和工作带宽。下面分别加以介绍。 2)隔离度 输入端“”的输入功率 P1 和隔离端“”的输出功率 P4 之比定义 为隔离度，记作 I。 (3)定向度 耦合端“”的输出功率 P3 与隔离端“”的输出功率 P4 之比定义 为定向度，记作 D。 (4) 输入驻波比 端口“、 、 ”都接匹配负载时的输入端口 “”的驻波比定 义为输入驻波比，记作 。 (5)工作带宽 工作带宽是指定向耦合器的上

10、述 C、 I、 D、 等参数均满足要求时 的工作频率范围。 编辑本段波导双孔定向耦合器波导双孔定向耦合器是最简单的波导定向耦合器 , 主、副波导通过其 公共窄壁上两 耦合器个相距 d=(2n+1)g0/4 的小孔实现耦合其中， g0 是中心频率所对 应的波导波长 , n 为正整数, 一般取 n=0。耦合孔一般是圆形 , 也可以是其 它形状。当工作在中心频率时 , d=/2, 此时 D; 当偏离中心频率时 , secd 具有一定的数值 , 此时 D 不再为无穷大。实际上双孔耦合器即使在中心频率上, 其定向性也不是无穷大 , 而只能在 30dB 左右。 总之，波导双孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而

11、实现主波导的定向输 出, 在耦合口上同相叠加 , 在隔离口上反相抵消。 为了增加定向耦合器的 耦合度，拓宽工作频带 , 可采用多孔定向耦合器 , 编辑本段双分支定向耦合器双分支定向耦合器由主线、副线和两条分支线组成 , 其中分支线 耦合器的长度和间距均为中心波长的 1/4, 如图 5 - 15 所示。 设主线入口 线“”的特性阻抗为 , 主线出口线 “”的特性阻抗为 (k 为阻抗变换比 ),副线隔离端 “”的特性阻抗为 , 副线耦合端 “”的特性阻抗为 , 平行 连接线的特性阻抗为 Z0p, 两个分支线特性阻抗分别为和。 编辑本段平行耦合微带定向耦合器平行耦合微带定向耦合器是一种反向定向耦合器

12、 , 其耦合输出端与主 输入端在同一侧面 , 如图 5 - 16 所示, 端口“”为输入口, 端口 “”为直通口, 端口“”为耦合口, 端口“”为隔离口。 ? 编辑本段隔离器隔离器也叫反向器，电磁波正向通过它时几乎无衰减，反向通过时衰减 很大。常用的隔离器有谐 耦合器振式和场移式两种。 ? 谐振式隔离器 ?由于铁氧体具有各向异性，因此在恒定磁场Hi 作用下，与 Hi 方向成 左、右螺旋关系的左、右圆极化旋转磁场具有不同的导磁率（分别设为 -和 +）。 设在含铁氧体材料的微波传输线上的某一点，沿 +z 方向传 输左旋磁场，沿 -z 方向传输右旋磁场，两者传输相同距离，但对应的磁导 率不同，故左右

13、旋磁场相速不同，所产生相移也就不同，这就是铁氧体相移 不可逆性。另一方面，铁氧体具有铁磁谐振效应和圆极化磁场的谐振吸收效 应。 所谓铁氧体的铁磁谐振效应，是指当磁场的工作频率 等于铁氧体的 谐振角频率 0 时，铁氧体对微波能量的吸收达到最大值。而对圆极化磁场 来说，左、右旋极化磁场具有不同的磁导率 , 从而两者也有不同的吸收特 性。 对反向传输的右旋极化磁场，磁导率为+，它具有铁磁谐振效应，而 对正向传输的左极化磁场，磁导率为-，它不存在铁磁谐振特性 , 这就 是圆极化磁场的谐振效应。铁氧体谐振式隔离器正是利用了铁氧体的这一特 性制成的。 场移式隔离器 ?场移式隔离器是根据铁氧体对两个方向传输的波型产生的场移作用不同 而制成的。 它在铁氧体片侧面加上衰减片 , 由于两个方向传输所产生场的偏离不 同，使沿正向（ -z 方向）传输波的电场偏向无衰减片的一侧，而沿反向 （+z 方向）传输波的电场偏向衰减片的一侧 , 从而实现了正向衰减很小而 反向衰减很大的隔离功能，如图 5 - 32 所示。 由于场移式隔离器具有体积小，重量轻，结构简单且有较宽的工作频带 等特点, 因此在小功率场合得到了较为广泛的应用