整理光电耦合器工作原理 2.docx

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整理光电耦合器工作原理2

光电耦合器工作原理

时间：

2009-01-0518:

56:

50  来源：

  作者：

飞人

光电耦合器件简介

光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。

光电耦合器分为很多种类，图1所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。

当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。

对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。

若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。

这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。

                 图一最常用的光电耦合器之内部结构图三极管接收型 4脚封装

                           图二光电耦合器之内部结构图三极管接收型 6脚封装

            图三光电耦合器之内部结构图双发光二极管输入三极管接收型4脚封装

                              图四光电耦合器之内部结构图可控硅接收型 6脚封装

图五光电耦合器之内部结构图双二极管接收型 6脚封装

光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号杂讯比大为提高，主要有以下几方面的原因：

（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105～106Ω。

据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。

（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。

（3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。

因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。

（4）光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有10μs左右，适于对回应速度要求很高的场合。

光电隔离技术的应用

微机介面电路中的光电隔离

微机有多个输入埠，接收来自远处现场设备传来的状态信号，微机对这些信号处理后，输出各种控制信号去执行相应的操作。

在现场环境较恶劣时，会存在较大的杂讯干扰，若这些干扰随输入信号一起进入微机系统，会使控制准确性降低，产生误动作。

因而，可在微机的输入和输出端，用光耦作介面，对信号及杂讯进行隔离。

典型的光电耦合电路如图6所示。

该电路主要应用在“A／D转换器”的数位信号输出，及由CPU发出的对前向通道的控制信号与类比电路的介面处，从而实现在不同系统间信号通路相联的同时，在电气通路上相互隔离，并在此基础上实现将类比电路和数位电路相互隔离，起到抑制交叉串扰的作用。

图六光电耦合器接线原理

对于线性类比电路通道，要求光电耦合器必须具有能够进行线性变换和传输的特性，或选择对管，采用互补电路以提高线性度，或用V／F变换后再用数位光耦进行隔离。

功率驱动电路中的光电隔离

在微机控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过微机的I／O输出，而I／O的驱动能力有限，一般不足以驱动一些点磁执行器件，需加接驱动介面电路，为避免微机受到干扰，须采取隔离措施。

如可控硅所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控制信号与可控硅触发电路进行隔离。

电路实例如图7所示。

                      图七双向可控硅（晶闸管）

在马达控制电路中，也可采用光耦来把控制电路和马达高压电路隔离开。

马达靠MOSFET或IGBT功率管提供驱动电流，功率管的开关控制信号和大功率管之间需隔离放大级。

在光耦隔离级—放大器级—大功率管的连接形式中，要求光耦具有高输出电压、高速和高共模抑制。

远距离的隔离传送

在电脑应用系统中，由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输，信号在传输过程中很易受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真；另外，在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，常因设备间的地线电位差，导致地环路电流，对电路形成差模干扰电压。

为确保长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔离措施，将2个电路的电气连接隔开，切断可能形成的环路，使他们相互独立，提高电路系统的抗干扰性能。

若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光电耦合器将长线完全“浮置”起来，如图8所示。

                图八传输长线的光耦浮置处理

长线的“浮置”去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各电路的电流经公共地线时所产生杂讯电压形成相互窜扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配问题；同时，受控设备短路时，还能保护系统不受损害。

过零检测电路中的光电隔离

零交叉，即过零检测，指交流电压过零点被自动检测进而产生驱动信号，使电子开关在此时刻开始开通。

现代的零交叉技术已与光电耦合技术相结合。

图9为一种单片机数控交流调压器中可使用的过零检测电路。

                 图九过零检测

220V交流电压经电阻R1限流后直接加到2个反向并联的光电耦合器GD1，GD2的输入端。

在交流电源的正负半周，GD1和GD2分别导通，U0输出低电平，在交流电源正弦波过零的瞬间，GD1和GD2均不导通，U0输出高电平。

该脉冲信号经反闸整形后作为单片机的中断请求信号和可控矽的过零同步信号。

注意事项

（1）在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。

（2）当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号（包括数位量信号、控制量信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。

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光电耦合器原理及应用

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。

基本工作特性（以光敏三极管为例）

1、共模抑制比很高

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

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IF>0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。

其测试连线如图2，图中D、C、E三根线分别对应B、C、E极，接在仪器插座上。

（一）安全评价的内涵3、光电耦合器可作为线性耦合器使用。

四、安全预评价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

2）规划实施可能对环境和人群健康产生的长远影响。

1、用万用表判断好坏，如图3，断开输入端电源，用R×1k档测1、2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R×10k档，否则导致发射管击穿。

2、简易测试电路，如图（4），当接通电源后，LED不发光，按下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

（2）评价方法的适当性；1.组成开关电路

图1电路中，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，图2电路中，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

（4）环境保护验收。

图3电路为“与门”逻辑电路。

其逻辑表达式为P=A．B.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

第五章　环境影响评价与安全预评价电路如图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。

4．组成高压稳压电路

2.间接市场评估法电略如图5所示．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

第1页的偏压增加，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．

3.划分评价单元5.组成门厅照明灯自动控制电路

②既包括天然的自然环境，也包括人工改造后的自然环境。

电路如图6所示。

A是四组模拟电子开关（S1~S4）：

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，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。

一、前言光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。

由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。

 二、光电开关介绍1、工作原理光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。

物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。

光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

工作原理如图1所示。

多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。

图2是德国SICK公司的部分光电开关外型图。

2、光电开关的分类及术语解释

（1）、分类①漫反射式光电开关：

它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。

当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。

②镜反射式光电开关：

它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。

③对射式光电开关：

它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。

当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。

④槽式光电开关：

它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。

槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠。

⑤光纤式光电开关：

它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。

通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。

它们的工作光线示意图如图3所示。

（2）术语解释常见的术语示意图如图4所示。

①检测距离：

是指检测体按一定方式移动，当开关动作时测得的基准位置（光电开关的感应表面）到检测面的空间距离。

额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。

②回差距离：

动作距离与复位距离之间的绝对值。

③响应频率：

在规定的1s的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。

④输出状态：

分常开和常闭。

当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

⑤检测方式：

根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。

⑥输出形式：

分NPN二线、NPN三线、NPN四线、PNP二线、PNP三线、PNP四线、AC二线、AC五线（自带继电器），及直流NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的输出形式。

⑦指向角：

见光电开关的指向角示意图,即如图4的下部三个小图所示。

⑧表面反射率：

漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接受器接收到光线的强度。

粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光滑表面反射回的强度,而且，被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。

常用材料的反射率如表1所示。

表1 常用材料的反射率材料反射率材料反射率白画纸90%不透明黑色塑料14%报纸55%黑色橡胶4%餐巾纸47%黑色布料3%包装箱硬纸板68%未抛光白色金属表面130%洁净松木70%光泽浅色金属表面150%干净粗木板20%不锈钢200%透明塑料杯40%木塞35%半透明塑料瓶62%啤酒泡沫70%不透明白色塑料87%人的手掌心75%

⑨环境特性：

光电开关应用的环境亦会影响其长期工作可靠性。

当光电开关工作于最大检测距离状态时，由于光学透镜会被环境中的污物粘住，甚至会被一些强酸性物质腐蚀，以至其使用参数和可靠性降低。

较简便的解决方法就是根据光电开关的最大检测距离（Sn）降额使用来确定最佳工作距离。

（3）使用注意事项①红外线传感器属漫反射型的产品，所采用的标准检测体为平面的白色画纸。

②红外线光电开关在环境照度高的情况下都能稳定工作，但原则上应回避将传感器光轴正对太阳光等强光源。

③对射式光电开关最小可检测宽度为该种光电开关透镜宽度的80%。

④当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的光电开关，在这种情况下，请将负载经过交流继电器来转换使用。

⑤红外线光电开关的透镜可用擦镜纸擦拭，禁用稀释溶剂等化学品，以免永久损坏塑料镜。

⑥针对用户的现场实际要求，在一些较为恶劣的条件下，如灰尘较多的场合，所生产的光电开关在灵敏度的选择上增加了50%，以适应在长期使用中延长光电开关维护周期的要求。

⑦产品均为SMD工艺生产制造，并经严格的测试合格后才出厂，在一般情况下使用均不会出现损坏。

为了避免意外性发生，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。

   以上各注意事项示意图见图5。

三、应用举例从图6可以看出光电开关的各种应用。

其中，图6（a）为光电开关用于对材料的定位剪切控制；图6（b）为用光电开关来控制液面位的上下限值，当液面位高于或低于上下极限液面位时，光电开关控制电路可使阈门打开或关闭，使液面位的高度保持在上下限之间；图6（c）为利用物体对光的遮挡作用，检测物体的通过个数，或物体是否存在；图6（d）为利用光的直线传播性，检验产品是否等高排列；图6（e）为将光电开关用在流水生产线上，来检测产品的个数；图6（f）为用光电开关检测液面位的高低。

   四、结束语除了以上介绍的例子外，光电开关还在许多方面得到了应用，例如在行程控制、直径限制、转速检测、气流量控制等方面。

我们相信光电开关会做得越来越先进，它的应用也会越来越广泛。

 光电传感器是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。

光电传感器主要由发光的投光部和接受光线的受光部构成。

如果投射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达受光部的量将会发生变化。

受光部将检测出这种变化，并转换为电气信号，进行输出。

大多使用可视光（主要为红色，也用绿色、蓝色来判断颜色）和红外光。

光电传感器如下图所示主要分为3类。

光电传感器特长 

①检测距离长

如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法离检测。

达到的长距

②对检测物体的限制少

由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。

③响应时间短

光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。

④分辨率高

能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。

也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。

⑤可实现非接触的检测 

可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。

因此，传感器能长期使用。

⑥可实现颜色判别

通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。

利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。

⑦便于调整

在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。