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光耦详细应用教程

关键词:光耦合器 电子元件

时间:2024-05-07 09:50:13      来源:网络

从有关变压器的教程中我们知道,它们不仅可以提供降压(或升压)电压,而且还可以在初级侧的较高电压和次级侧的较低电压之间提供“电气隔离”。

光耦合器是一种电子元件,可在许多不同的应用中用作低压数字或控制电路与大功率电子设备之间的接口。

从有关变压器的教程中我们知道,它们不仅可以提供降压(或升压)电压,而且还可以在初级侧的较高电压和次级侧的较低电压之间提供“电气隔离”。

换句话说,变压器使用电磁耦合将初级输入电压与次级输出电压隔离,这是利用叠片铁芯内循环的磁通量来实现的。

典型4n35光耦

但是,我们还可以通过使用一种非常常见且有价值的电子元件(称为光耦合器),仅使用光来在输入源和输出负载之间提供电气隔离。

光耦合器(也称为光隔离器)的基本设计由产生红外光的 LED 和用于检测发射的红外光束的半导体光敏器件组成。LED 和光敏器件都封装在不透光的主体或封装中,并带有用于电气连接的金属腿,如图所示。

光耦合器或光隔离器由光发射器、LED 和光敏接收器组成,光敏接收器可以是单个光电二极管、光电晶体管、光敏电阻、光 SCR 或光 TRIAC,其基本操作为光耦合器非常容易理解。

光电晶体管光耦合器


  

假设光电晶体管器件如图所示。来自源信号的电流通过输入 LED,该 LED 发出红外线,其强度与电信号成正比。

发出的光落在光电晶体管的基极上,使其导通并以与普通双极晶体管类似的方式传导。

光电晶体管的基极连接可以保持开路(未连接),以获得对 LED 红外光能的灵敏度,或者通过合适的外部高值电阻连接到地,以控制开关灵敏度,使其更加稳定并防止误动作由外部电噪声或电压瞬变触发。

当流经 LED 的电流中断时,发出的红外光被切断,导致光电晶体管停止导通。光电晶体管可用于切换输出电路中的电流。LED 和光敏器件的光谱响应紧密匹配,并被玻璃、塑料或空气等透明介质隔开。由于光耦合器的输入和输出之间没有直接的电气连接,因此可以实现高达10kV的电气隔离。

光耦合器有四种常见类型,每种类型都具有红外 LED 光源,但具有不同的光敏器件。这四种光耦合器分别称为:光电晶体管、光电达林顿、光电可控硅和光电双向可控硅,如下所示。

不同的光耦合器类型

光耦合器类型

光电晶体管和光电达林顿器件主要用于直流电路,而光电可控硅和光电三端双向可控硅开关元件则允许控制交流供电电路。还有许多其他类型的源-传感器组合,例如 LED-光电二极管、LED-激光、灯-光敏电阻对、反射式和开槽光耦合器。

简单的自制光耦合器可以使用单独的组件构建。如图所示,将 LED 和光电晶体管插入刚性塑料管或封装在热缩管中。这种自制光耦合器的优点是管子可以切割成任何你想要的长度,甚至可以在拐角处弯曲。显然,具有反光内部的管材比深黑色管材更有效。

自制光耦

自制光耦合器

光耦合器应用

光耦合器和光隔离器可以单独使用,也可以切换一系列其他较大的电子设备,例如晶体管和三端双向可控硅开关元件,在较低电压控制信号(例如来自 Arduino 或微控制器的信号)之间提供所需的电气隔离。以及更高的电压或电源电流输出信号。

光耦合器的常见应用包括微处理器输入/输出切换、直流和交流电源控制、PC 通信、信号隔离和受电流接地环路影响的电源调节等。传输的电信号可以是模拟(线性)或数字(脉冲)。

在此应用中,光耦合器用于检测开关的操作或其他类型的数字输入信号。如果被检测的开关或信号处于电噪声环境中,这非常有用。输出可用于操作外部电路、灯光或作为 PC 或微处理器的输入。

光电晶体管直流开关

光电晶体管开关

在本例中,外部连接的 270kΩ 电阻用于控制光电晶体管基区的灵敏度。可以选择电阻器的值以适合所选的光电耦合器器件和所需的开关灵敏度。电容器可阻止任何不必要的尖峰或瞬态错误触发光电晶体管基极。

除了检测直流信号和数据外,还可以使用光电双向可控硅隔离器来控制交流供电设备和电源灯。MOC 3020 等光耦合三端双向可控硅开关元件的额定电压约为 400 伏,非常适合直接电源连接,电流约为 100mA。对于更高功率的负载,光电三端双向可控硅开关元件可用于通过限流电阻器向另一个更大的三端双向可控硅开关元件提供栅极脉冲,如图所示。

双向可控硅应用

三端双向可控硅开关元件应用

这种类型的光耦合器配置构成了非常简单的固态继电器应用的基础,可用于控制任何交流电源供电的负载,例如灯和电机。与晶闸管 (SCR) 不同的是,三端双向可控硅开关能够在电源交流周期的两个半周期内导通,并具有过零检测功能,允许负载在切换感性负载时接收全功率,而不会产生大浪涌电流。

光耦合器和光隔离器是出色的电子设备,可通过 PC 的输出端口、数字开关或逻辑门等低压数据信号来控制功率晶体管和三端双向可控硅开关等设备。光耦合器的主要优点是输入和输出端子之间的高电气隔离,允许相对较小的数字信号控制很大的交流电压、电流和功率。

光耦合器可用于直流和交流信号,光耦合器采用 SCR(晶闸管)或三端双向可控硅开关元件,因为光电检测器件主要设计用于交流电源控制应用。光电 SCR 和光电三端双向可控硅开关的主要优点是完全隔离交流电源线上存在的任何噪声或电压尖峰,以及正弦波形的过零检测,从而减少开关和浪涌电流,保护所使用的任何功率半导体免受热应力和冲击。

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