《光电信息转换组合器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电信息转换组合器件（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、3.3 光电信息转换组合器件,3.3.1 光电耦合器,一、结构和特点,图3.3.1-1 光电耦合器结构,光电耦合器是将LED和光敏三极管紧密的组装在一起，密封在一个对外隔光的封装之内，这样LED的光线能够落到光敏三极管的表面上。如图：,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。,光电耦合器的另一个重要特性是用IF 控制I ，信号的传递是单向的。输出端即使有很强的干扰和噪声，也不会影响反馈到输入端。,二、光电耦合器的类型,其类型主要有：普通光电
2、耦合器；达林顿光电耦合器；双光电耦合器；四光电耦合器；（此四种统称为隔离光电耦合器）开槽光电耦合器和反射光电耦合器。,光电耦合器的一个重要特性是其输入端相联接的电路可以和其输出端的电路完全隔开，并且在这两个电路之间可以安全地存在成百上千伏的电位差而不会对光电耦合器的工作产生不利影响。,使用单只光敏三极管作输出级的普通光电耦合器（图a），通常是密封在一个六引脚的封装之内，而光敏三极管的基极被引到封装的外面以备使用。在平常的使用中，基极是开路不用的，在此情况下，光电耦合器具有300kHz的有效带宽。然而，光敏三极管能够转换为光敏二极管，这只要将基极（引脚6）和发射极（引脚4）的引出端短接在一起即可
3、，在这种情况下，带宽却上升到约30MHz。,（a）普通光电耦合器 图3.3.1-2 光电耦合器的类型,达林顿光电耦合器(图b)也是密封在一个六引脚的封装当中，而且其光敏三极管的基极亦引到封装之外以供使用。由于达林顿管的高电流增益，因此其有效带宽仅为30kHz。,图c和图d所示的双和四光电耦合器都是利用单只光敏三极管作为输出级的，而这些光敏三极管的基极却不能外部引用。,图3.3.1-2 光电耦合器的类型,注意：在所有这四种器件里，输入引脚都是在封装的某一边上而输出引脚则是在封装的另一边上。这种结构有利于增加隔离电压的最大可能值。还要注意的有，在图3.3.1-2(c)和图3.3.1-2(d)所示的
4、双和四光电耦合器件中，尽管它们具有1.5kV的隔离电压值，但是在相邻通道之间所出现的电位差却绝对不允许超过500V。,三、光电耦合器的检测,在检测输入端时，一般均参照红外发光二极管的检测方法。检测输出端时应参照光敏三极管的检测方法。,万用表置于欧姆档，红、黑表笔接入两个引脚，一次指数为无穷大，互换后表针为几千欧，则黑表笔所结引脚为发光二极管的正极。,在光电耦合器输入端接入正向电压，万用表指针置于电阻档，红、黑表笔接入光电耦合器输出端的两个引脚。如果一次表针指数为无穷大，表针互换后电阻值小于100欧，此时黑表所接为NPN型光敏三极管的集电极c、红表笔所接为发射集e。切断输入端电压，光敏三极管要截
5、止，电阻应为无穷大。,1用于电平转换,图3.3.1-3是PMOS电路电平转到TTL(晶体管-晶体管逻辑电路)电路电平的电路图。该电路中，输入是 -20伏到0伏的脉冲，输出是0伏到5伏的脉冲，前后电路完全是隔离的。,图3.3.1-3 电平转换电路,由于各种集成电路所用的电源电压是不同的，如在一个系统中用二种材料的集成电路芯片，则需要进行电平的转换。另外各种传感器的电源电压有时也难于与集成电路相同，故进行电平转换有时是必要的。,四、光电耦合器的应用,图a为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端A和B同时输入高电平“1”，则两个发光二极管GY1和GY2都发光,两个光敏三极管GG1，和GG2都导通
6、，在输出端C就呈现高电平“1”。在输入端A或B中只要有一个为低电平“0”，则其中有一个光敏三极管不导通，输出端C就为“0”，故为与门电路。,2用于逻辑门电路,图3.3.1-4 光电耦合器在门电路中的应用,图(b)为与非门电路，它的原理与图(a)相似，但输出端不同，图(b)从集电极输出，当两个输入端A和B都为高电平1”时，输出为低电平“0”，故为与非门电路。,图3.3.1-4 光电耦合器在门电路中的应用,图(c)为或门电路，它从发射极输出，输入端A或B中有一个或两个为高电平“1”，则有一个或两个光敏三极管被照亮而导通，输出为高电平“1”，故为或门电路。,图3.3.1-4 光电耦合器在门电路中的应
7、用,图(d)的原理与图(c)相似，但从集电极输出，输入端A或B中有一个或两个为高电平“1”，输出就为低电平“0”，故为或非门电路。,图3.3.1-4 光电耦合器在门电路中的应用,3起隔离作用,图3.3.1-5用逻辑电路的信号来触发可控硅SCR（是一种很普通的单向低压控制高压的器件，可以将其用于光触发的形式），可控硅的负载为电感性的开关电路，采用光电耦合器后，负载所产生的尖峰噪声不会反馈到逻辑电路。,图3.3.1-5 光电隔离作用,光电耦合器的应用主要体现在电信号的隔离一种是同一设备内的高低压隔离，另外一种就是两种不同设备的电信号传递往往都会设计成隔离:A、设备内高低压隔离B、两个设备之间为避免
8、有电联系,问题：为什么要隔离？,光电耦合器是近年来发展起来的新型器件，应用范围和生产量正在急剧增加。由于它具有独特的优点，可组成各种各样的电路，因而可应用在测量仪器、精密仪器、工业和医用电子仪器自动控制、遥控和遥测、各种通信装置、计算机系统及农业电子设备等广阔领域。,在开关电路中的应用,+Vb,R,+ a,- b,K,输入,T,K,+ a,- b,输入,R,T,+Vb,常闭电路,常开电路,R2,J,+Ec,J,SCR,+Ec,报警装置,发光器件发出的光照射在光敏三极管上，三极管饱和导通，从而使可控硅SCR出于截止状态。在有物体通过光路时将会折断光线，从而使光敏三极管截止，可控硅SCR被触发导通
9、，继电器J吸合，接通音响报警。按下复位按钮AN可解除报警。,应用：过压保护电路,过压保护电路是利用光电耦合器的通断与否进行控制。电压正常时，光电耦合器几乎无输出，VT管被反偏而截止。当某种原因使电路电压升高时（零线断线或零线错接成相线等），取样电路次级电压随之升高，光电耦合器满足工作条件。光耦输出电流增大，使VT管偏置电压升高并饱和导通，执行机构继电器动作吸合，切断电源进而达到保护电器的目的。若故障消除，电压随之正常，该电路立即退出工作，恢复电路供电。,补充：可控硅（晶闸管 ）在自动控制，机电领域，工业电气及家电等方面都有广泛的应用。可控硅是一种有源开关元件，平时它保持在非导通状态，直到由一个
10、较少的控制信号对其触发或称“点火”使其导通，一旦被点火就算撤离触发信号它也保持导通状态，要使其截止，可在其阳极与阴极间加上反向电压或将流过可控硅二极管的电流减少到某一个值以下。,SCR（Silicon Controlled Rectifier）可控硅整流器,补充：可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图所示。,可控硅等效图解图,A,G,K,电路符号,当阳极加正向电压时，一旦有足够的门极电流流入，就形成强烈的正反馈：,Ig Ib2 Ic2 (=2Ib2) = Ib1 Ic1 (= 1Ib1) ,可控硅二极
11、管可用两个不同极性（P-N-P和N-P-N）晶体管来模拟，如图G1所示。当可控硅的栅极悬空时，BG1和BG2都处于截止状态，此时电路基本上没有电流流过负载电阻RL，当栅极输入一个正脉冲电压时，BG2导通，使BG1的基极电位下降，BG1因此开始导通，BG1的导通使得BG2的基极电位进一步升高，BG1的基极电位进一步下降，经过这一个正反馈过程使BG1和BG2进入饱和导通状态。,补充：,问题：观察可控硅的电流流向特性。,电路从截止状态进入导通状态后，这时栅极就算没有触发脉冲电路，由于正反馈的作用将保持导通状态不变可控硅一旦触发后，门极对它将失去控制作用。如果此时在阳极和阴极加上反向电压，由于BG1和
12、BG2均处于反向偏置状态，所以电路很快截止，另外如果加大负载电阻RL的阻值使电路电流减少，BG1和BG2的基极电流也将减少，当减少到某一个值时由于电路的正反馈作用，电路将很快从导通状态翻转为截止状态，我们称这个电流为维持电流。在实际应用中，我们可通过一个开关来短路可控硅的阳极和阴极，从而达到可控硅的关断。,补充：,可控硅的特性：,具有单向导电性，电流只能从阳极流向阴极;,具有正向导通的可控特性;,正向导通两个条件： （1）阳极加上正向电压；（2）门极和阴极之间加上一定的正向门极电压Ug 。 ( 称为触发),可控硅一旦触发后，门极对它将失去控制作用；,使导通的可控硅阻断： 降低阳极电压或减小阳极
13、电流Ia。,光控可控硅元件又称作光激可控硅或光控硅晶闸管。特点是在控制极区以光触发代替电触发。,光敏二极管、光敏三极管的输出电流小，在实际的应用中往往需要附加放大、整形、输出等电路；而光控可控硅元件输出电流可达安培级，并且电流大小不随光强变化而变化。因此光控可控硅已作为自动控制元件而广泛应用于光继电器，自控、隔离输入开关，光计数器，红外探测器，光报警器等方面。,光控可控硅元件,可控硅整流器（SCR），是一种很普通的单向低压控制高压的器件，可将其用于光触发的形式。 双向可控硅是一种很普通的由可控硅整流器即SCR发展改进的器件，它不仅能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触发电路，是比较理想的
14、交流开关器件。它也可用于光触发形式。将一只SCR和一只LED密封在一个封装中，就可以构成一只光耦合的SCR；而将一只双向可控硅和一只LED密封在一个封装中就可以制成一只光耦合的双向可控硅。,图3.3.1-6和图3.3.1-7示出它们的典型外形（它们通常被密封在一只六引脚的双列直插式的封装中）。,五、光电耦合双向可控硅,图3.3.1-6 图3.3.1-7 典型的光耦合SCR 典型的光耦合双向可控硅,硅双向开关SBS（Silicon Bidirectional Switch）也叫双向触发晶体管。它相当于把两只硅单向开关反极性并联，等效电路及符号如图所示 。硅双向开关的正向特性及用途与硅单向开关相同
15、，而正、反向转折电压的对称性又与双向触发二极管相近，区别只是对称性更好 。,补充：,T1,T2,G,1. 双向可控硅特性曲线,2双向可控硅的触发方式,工作在第一象限有二种触发方式1和1，工作在第三象限有二种触发方式3和3。1：T1对T2加正电压，G对T2加正电压；1：T1对T2加正电压，G对T2加负电压；3：T1对T2加负电压，G对T2加正电压；3：T1对T2加负电压，G对T2加负电压；,四种触发方式 （应用时一般采用第一和第三象限的组合）,图4.2.1-6 双向可控硅特性曲线,补充：,T1,T2,G,双向可控硅触发电路举例,双向可控硅应用电路,补充：,用光电耦合双向可控硅去控制另一个大功率双
16、向可控硅，可达到控制大功率负载的目的。图3.3.1-8是用光电耦合双向可控硅控制小功率灯泡的电路图，而图3.3.1-9是光电耦合双向可控硅控制大功率负载的电路图。,图3.3.1-8 小功率灯泡的控制,图3.3.1-9 光耦可控硅实现大功率控制,采用双向晶闸管的气体、烟雾报警电路,在出现可燃性气体时，气体传感器TGS308的电导增加，通过电位器RP1滑动点取出电压，其值从3V有效值增加到20V。此升高的电压经二极管和4.7k电阻加至VT1使之导通，进而使双向晶闸管2N6070A导通。由此全波交流电压驱动交流报警器H产生高达90dB的声音，实现报警。当气体从传感器消失后，电路恢复到原始状态，报警自动停止。 H为Deltal6003168型24V交流报警器。,气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。,
