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基础知识整理

步进电动机

步进电动机是一种将脉冲信号转换成角位移的电动机。

步进电动机必须就加上驱动电路才能转动，驱动电路的信号输入端必须输入脉冲的信号。

若无脉冲输入时，转子保持一定的位置，维持静止状态；反之，若加入适当的脉冲信号时，转子则会以一定的角度（称为布距角）转动。

所以如果加入连续脉冲时，则转子旋转的角度与脉冲频率成正比。

步进电动机步距角一般为1.8°，即一周360°需要200步才能完成。

步进电动机的正反转科通过输入脉冲的顺序来控制。

小型步进电机驱动电路可以采用ULN2003或ULN2803。

ULN2003（高耐压大电流达林顿陈列）具有电流增益高、工作电压高，温度范围宽和带负载能力强等特点。

继电器

继电器是一种对电路进行控制和换接的器件，可以看作是一种由输入参数（电、磁、光、声等物理量）控制开关，实现对小电流去控制大电流或高电压的转换，并具有实现自动接通和断开电路的功能。

继电器一般是由铁芯、线圈、衔铁、常闭触点和常开触点等部分组成。

继电器线圈需要流过较大的电流（约50mA）才能使继电器吸合，一般的集成电路不能提供这样大的电流，因此必须进行扩流，即驱动。

图1.21所示为用NPN型三极管驱动继电器的电路图，图中阴影部分为继电器电路，继电器线圈作为集电极负载而接到集电极和正电源之间。

当输入为0V时，三极管截止，继电器线圈无电流流过，则继电器释放（OFF）；相反，当输入为+VCC时，三极管饱和，继电器线圈有相当的电流流过，则继电器吸合（ON）。

                              图1.21用NPN三极管驱动继电器电路图

当输入电压由变+VCC为0V时，三极管由饱和变为截止，这样继电器电感线圈中的电流突然失去了流通通路，若无续流二极管D将在线圈两端产生较大的反向电动势，极性为下正上负，电压值可达一百多伏，这个电压加上电源电压作用在三极管的集电极上足以损坏三极管。

故续流二极管D的作用是将这个反向电动势通过图中箭头所指方向放电，使三极管集电极对地的电压最高不超过+VCC+0.7V。

   图1.21中电阻R1和R2的取值必须使当输入为+VCC时的三极管可靠地饱和，即有

。

   例如，在图1.21中假设Vcc=5V，

，

，则有

。

   而 

   则 

  若取

，则

。

为了使三极管有一定的饱和深度和兼顾三极管电流放大倍数的离散性，一般取

左右即可。

   若取

，当集成电路控制端为+VCC时，应能至少提供1.2mA的驱动电流（流过R1的电流）给本驱动电路，而许多集成电路（例如标准8051单片机）输出的高电平不能达到这个要求，但它的低电平驱动能力则比较强（例如标准8051单片机I/O口输出低电平能提供20mA的驱动电流），则应该用如图1.22所示的电路来驱动继电器。

                              图1.22用PNP三极管驱动继电器电路图

    与图1.21比较NPN三极管变为PNP三极管，电流方向、电压极性和继电器逻辑都应有所变化。

当输入为0V时，三极管饱和，从而使继电器线圈有相当的电流流过，继电器吸合；相反，当输入为+VCC时，三极管截止，继电器释放。

光耦合器

光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。

它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。

当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。

普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号。

光耦合器是一种实现电能—光能—电能转换的半导体器件，它由发关二极管和光敏元件两部分组装在同一个管壳内，把连续发光二极管的管脚叫做输入端，连接光敏器件的管脚叫做输出端。

在输入端加上电信号，发光二极管发光；光敏受到光照后，产生电信号，并由输出端输出。

光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。

它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。

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。

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

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

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

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

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

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控制电路

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。

光耦合器的作用及其电路

      摘要线性光耦合器是目前国际上正推广应用的一种新型光电隔离器件。

文中介绍其性能特点、产品分类，以及它在单片开关电源中的应用。

  关键词光耦合器线性电流传输比通信单片开关电源     

光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。

它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。

当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。

普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号。

近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。

1光耦合器的类型及性能特点

1.1光耦合器的类型  光耦合器有双列直插式、管式、光导纤维式等多种封装形式，其种类达数十种。

光耦合器的分类及内部电路如图1所示。

图中是8种典型产品的型号：

（a）通用型（无基极引线）；（b）通用型（有基极引线）；（c）达林顿型；（d）高速型；（e）光集成电路；（f）光纤型；（g）光敏晶闸管型；（h）光敏场效应管型。

1.2光耦合器的性能特点

  光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。

它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。

1.3光耦合器的技术参数

     主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压V（BR）CEO、集电极-发射极饱和压降VCE（sat）。

此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。

     常用参数：

正向压降VF：

二极管通过的正向电流为规定值时，正负极之间所产生的电压降。

正向电流IF：

在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流。

反向电流IR：

在被测管两端加规定反向工作电压VR时，二极管中流过的电流。

反向击穿电压VBR：

：

被测管通过的反向电流IR为规定值时，在两极间所产生的电压降。

结电容CJ：

在规定偏压下，被测管两端的电容值。

反向击穿电压V（BR）CEO：

发光二极管开路，集电极电流IC为规定值，集电极与发射集间的电压降。

输出饱和压降VCE（sat）：

发光二极管工作电流IF和集电极电流IC为规定值时，并保持IC/IF≤CTRmin时（CTRmin在被测管技术条件中规定）集电极与发射极之间的电压降。

反向截止电流ICEO：

发光二极管开路，集电极至发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流为反向截止电流。

电流传输比CTR：

输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。

脉冲上升时间tr、下降时间tf：

光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%，所需时间为脉冲上升时间tr。

从输出脉冲后沿幅度的90%到10%，所需时间为脉冲下降时间tf。

传输延迟时间tPHL、tPLH：

光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输入脉冲前沿幅度的50%到输出脉冲电平下降到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPHL。

从输入脉冲后沿幅度的50%到输出脉冲电平上升到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPLH。

入出间隔离电容CIO：

光耦合器件输入端和输出端之间的电容值。

入出间隔离电阻RIO：

半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。

入出间隔离电压VIO：

光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。

     电流传输比是光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比来表示。

当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。

     采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围大多为20%～300%（如4N35），而PC817则为80%～160%，达林顿型光耦合器（如4N30）可达100%～5000%。

这表明欲获得同样的输出电流，后者只需较小的输入电流。

因此，CTR参数与晶体管的hFE有某种相似之处。

线性光耦合器与普通光耦合器典型的CTR-IF特性曲线，分别如图2中的虚线和实线所示。

    普通光耦合器的CTR-IF特性曲线呈非线性，在IF较小时的非线性失真尤为严重，因此它不适合传输模拟信号。

线性光耦合器的CTR-IF特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号时，其交流电流传输比（ΔCTR＝ΔIC/ΔIF）很接近于直流电流传输比CTR值。

因此，它适合传输模拟电压或电流信号，能使输出与输入之间呈线性关系。

这是其重要特性。

2线性光耦合器的产品分类及选取原则

2.1线性光耦合器的产品分类

 线性光耦合器的典型产品及主要参数见表1，这些光耦均以光敏三极管作为接收管。

2.2线性光耦合器的选取原则

 在设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光耦合器的型号及参数，选取原则如下：

 ①光耦合器的电流传输比（CTR）的允许范围是50%～200%。

这是因为当CTR＜50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流（IF＞5.0mA），才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。

若CTR＞200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。

 ②推荐采用线性光耦合器，其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。

 ③由英国埃索柯姆（Isocom）公司、美国摩托罗拉公司生产的4N××系列（如4N25、4N26、4N35）光耦合器，目前在国内应用地十分普遍。

鉴于此类光耦合器呈现开关特性，其线性度差，适宜传输数字信号（高、低电平），因此不推荐用在开关电源中。

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 8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。