20120225-光耦合器电路及其应用实验课件
光耦合器的作用及其电路1
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（optical coupler，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(s at)。
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。
光电耦合器
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。
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。
光耦合器实验
全光纤耦合器件摘要：简述熔融拉锥法制作全光纤耦合器件的原理，进而讨论全光纤耦合器的工作原理，并对未知耦合器件进行测试，具体分析其参数。
一、 实验原理1. 熔融拉锥法熔融拉锥法是将2根出去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，然后置于高温下加热熔融，同时向光纤两端拉伸，最终在加入形成双锥形式的特殊波导耦合结构，从而实现光纤耦合的一种方法。
熔融拉锥法示意图如图1：图 1熔融拉锥法示意图2. 光纤耦合器工作原理图2所示为熔融拉锥型光纤耦合器的结构模型。
其中：W 2和W 3分别为耦合结构熔锥区II 和III 在光纤熔烧时的拉伸长度；W 1为耦合区I 的火焰宽度。
耦合区的两光纤熔烧时逐渐变细，两纤芯可以忽略不计，两包层合并在一起形成以包层为纤芯、芯外介质（空气）为新包层的复合波导结构，实现两光纤的完全耦合。
当入射光从输入端1进入熔锥区II 后，由于淡漠光纤的传导膜为2个正交的基膜信号，因此，光纤参量V 随着纤芯的变细而逐渐变小，导致越来越多的光渗入包层；进入耦合区I 后，由于两光纤合并在一起，光在以新的包层为纤芯的复合波导中传输，并使光功率发生再分配；当光进入熔锥区III 后，光纤参量V 随着纤芯的变粗而逐渐增大，并使光以特定比例从输出端输出，即一部分光从直通臂直接输出，另一部分光从耦合臂输出。
在耦合区I ，由于两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，因此，耦合器为两波导构成的弱耦合结构。
根据若耦合模理论：相耦合的两波导中的场，各保持该波导独立存在是的场分布和传输系数，耦合的影响仅表现在场的复振幅的变化。
假设光纤是无吸收的，则随拉伸长度Z 不断变化，其变化规律可用一阶微分方程组表示如下：式中：A 1和A 2为两光纤的模场振幅；和为两光纤在孤立状态下的传播常数；和为子耦合系数；和为互耦合系数。
自耦合系数相对于互耦合系数很小，可以忽略，且近似有。
当方程在z=0时满足A 1(z)= A 1(0), A 2(z)= A 2(0)，其解为：图 2 光纤耦合器结构模型其中：为两传播常数的平均值；F2为光纤之间耦合的最大功率；C为耦合系数，与工艺有关。
光电耦合器驱动电路的设计与应用
光电耦合器驱动电路的设计与应用
光电耦合器驱动电路的设计与应用
一、实验目的
1.了解光耦合电路的工作原理
2.学习并掌握光耦合驱动电路的设计方法
3.光耦合电路的简单应用
二、实验原理
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。
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。
光电耦合器的种类
一般发光器件都是砷化镓红外发光二极管，而受光器件一般有光敏二极管、
硅光敏晶体管、达林顿型光敏三极管、光控晶闸管型及集成电路型等，其内部结构
光电耦合器的封装形式，只有双列直插式，常用类型的光电耦合器的引脚排
列
2. 光电耦合驱动电路的设计。
光电耦合器件课件
可能是由于光电耦合器件的内部传 输延迟造成，解决方案是选择具有 更快响应速度的光电耦合器件。
05
光电耦合器件的发展趋势 与未来展望
技术创新与进步
01
高速光耦的持续发展
随着数字信号处理速度的不断提升，高速光耦在数据传输和隔离方面的
性能也在持续优化，以满足更快的响应速度和更高的频率需求。
02 03
集成化与小型化
通过先进的封装技术，光电耦合器件正在向更小尺寸、更低功耗和更高 集成度的方向发展，为便携式设备和穿戴设备等小型化应用提供了更多 可能性。
可靠性提升
随着光电耦合器件在各种严苛环境中的应用越来越广泛，如汽车电子和 工业控制等，对其可靠性和稳定性的要求也越来越高，相关技术正在不 断改进以满足这些需求。
04
光电耦合器件的选型与使 用
选型原则与技巧
根据需求选择型号
根据电路的输入输出电压、电流、传 输速率等参数，选择合适的光电耦合 器件。
考虑隔离能力
根据电路的隔离需求，选择具有适当 隔离电压和绝缘电阻的光电耦合器件 。
考虑线性范围和响应速度
根据电路的输入信号范围和动态响应 要求，选择具有合适线性范围和响应 速度的光电耦合器件。
光电耦合器件课件
目录
• 光电耦合器件概述 • 光电耦合器件的工作特性 • 光电耦合器件的应用实例 • 光电耦合器件的选型与使用 • 光电耦合器件的发展趋势与未来展望
01
光电耦合器件概述
定义与工作原理
定义
光电耦合器件是一种将光信号转 换为电信号，或电信号转换为光 信号的半导体器件。
工作原理
光电耦合器件由发光元件（如 LED）和光敏元件（如光敏电阻 、光电池等）组成，通过光的传 输实现信号的传递。
第四章发光与耦合器件ppt文档
二、特性参数
（一）效率
（1）用于非显示
•功率效率：输入的电功率转换成辐射的功
率的效率。
p
Pe Pi
100%
•光学效率：外量子效率与内量子效率的比。
o
qo qi
• 量子效率：注入载流子复合而产生的光量子效率， 可分为内量子效率＆外量子效率。
• 内量子效率：辐射复合所产生的光子数与激发时 注入的电子空穴对数之比。
直接 耦合
进纤 功率 (uw)
1700
无波导 型侧面 出光()
0.05* 65
0.82
30 ~100 90
直接 0.14 耦合 800
集成化
透镜型 正面出
40
1.27 100
50
100
0.25
球端光 纤耦合
310
光
第二节 激光器
一、激光的产生 （一）受激辐射
1、自发辐射（Flash演示）
2、受激吸收（Flash演示）
•固体激光器：光谱适当地强光灯； •气体激光器：气体电离； •半导体激光器：注入载流子。
（三）共振腔（增益超过损耗，产生激光振 荡） （Flash演示）
1、产生稳定振荡的条件：腔长恰好等于辐 射光半波长的整数倍。
反
反
射
射
面
面
L m
2n
L
m=1
m=2
2、纵模频率（共振频率）
共振腔内沿腔轴方向形成的各种可能的驻波
第四章发光与耦合器件
3、制作材料
（1）直接带（直接跃迁）材料：GaAs、GaN、 ZnSe等。
（2）间接带（间接跃迁）材料：GaP （3）混晶：GaAs1-xPx，禁带宽，掺杂不同材料， 可发出不同颜色的光。
第六章发光器件与光电耦合器件案例PPT课件
当光线以近法线入射时，反射比和透射比分为70.2%，n2
改为树脂（1.5），透射比则为84.9%
通常发光二极管的发光效率均随温度上升 而下降。图6-6 表示GaP（绿色）、GaP （红色）、GaAsP三种发光二极管的相对
光亮度Le,λ,r与温度t的关系曲线。
蓝、绿、白光LED
室外大LED全彩色屏幕
LED交通信号灯
城市建筑装饰灯光工程
花旗银行大厦
白光LED射灯
白光LED (1998年发白光的LED开发成功) • 固体冷光源，效率高，绿色环保 • 寿命长，可以达到10万小时（连续10年） • 低电压工作 • 是照明领域的又一次革命
• 基于蓝光LED，通过荧光粉激发出黄光，组合成 为白光
由于n区所发射的 光子能量hv比EG2 小得多，它进入p 区不会引起本征吸 收而直接透射出去。
6.1.2 基本结构
1、面发光二极管
图6-3所示为波长0.8～ 0.9μm的双异质结GaAs／ AIGaAs面发光型LED的结 构。它的有源发光区是圆形 平面，直径约为50μm，厚 度小于2.5μm。一段光纤 (尾纤)穿过衬底上的小圆孔 与有源发光区平面正垂直接 入，周围用粘合材料加固，
工作电流时的电流和正向压降。
5、伏安特性
发光二极管的伏安特性如图6-9 所示，它与普通二极管的伏安特性 大致相同。电压小于开启点的电压 值时无电流，电压一超过开启点就 显示出欧姆导通特性。这时正向电 流与电压的关系为
i＝ioexp(U/mkT)
(6-5)
式中，m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流
第6章 发光器件与光电耦合器件
通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。 但对光电技术领域来说，光辐射还包括红外、紫外等不可 见波段的辐射。发光常分为由物体温度高于绝对零度而产 生物体热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。 前者被称为热辐射，后者称为激发辐射，激发辐射的光源 常被称为。按激发的方式可将冷光源分为光致发光、化学 发光、摩擦发光、阴极射线致发光、电致发光等。 本 章主要介绍目前已得到广泛应用的注入式半导体发光器件 及光电耦合器件。
光纤耦合器ppt课件
精选
19
五、光环行器
• 光环行器——是多端口的隔离器。主要 用于光分插复用器。典型的环行器一般 有三或四个端口，在三端口环行器中， 端口1输入的光信号在端口2输出，端口2 输入的光信号在端口3输出，端口3输入 光信号在端口1输出。
光开关——用于转换光路，实现光交换。 机械光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光 纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路切换。 其优点是插入损耗小、 串扰小，适用于各种 光纤，技术成熟。缺点是开关速度慢。 固体光开关：用电光效应、磁光效应或声
光效应实现光路切换。优点是开关速度快。缺 点是插入损耗大、 串扰大，只适用于单模光 纤。
Lt
10lg Pic Poc
• 4） 方向性DIR（隔离度）——是一个指定输入端光功
率Pic和由耦合器反射到其他端的光功率Pr的比值。
DIR10lg Pic Pr
• 5） 一致性U——是不同输入端得到的耦合比的均匀性 或不同输出端耦合比的等同性。
精选
16
四、 光隔离器
• 光隔离器——是一种非互易性器件，只 允许光波往一个方向传输，阻止光波往 其他方向尤其是反方向传输。一般用在 激光器或光放大器后。插入损耗值为1dB, 隔离度的典型值为40--50 dB。
• 接头是实现光纤与光纤间永久性连接， 只要用于工程现场施工。方法：热熔接 或V形槽连接
精选
3
光纤连接器的种类
•单芯连接器 •多芯连接器
精选
4
光纤 粘接剂
套管 插针体
套管结构光纤连接器简图
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第二部分 单元电路设计型实验
光耦合器电路及其应用
实验目的与实验内容
实验目的： 1．熟悉光耦合器件及其种类，基本掌握常用光耦 合器件的使用。 2．掌握光耦合器件的常用电路的设计、调试方法。 实验内容： 1 ．设计一个实现电平转换电路。要求输入为0~5V 电平信号，对应输出为0~12V的电平转换。 2 ．设计一个实现电平转换电路。要求输入为 0~5V电平信号，对应输出为12~0V的电平转换。 3. 用光耦合器TLP521设计一个报警电路。当输入 2V时，发光二极管点亮；当光耦合器输入0V时，发光 二极管熄灭。
微处理器驱动步进电机电路中的单相电路图
非线性光电耦合器驱动双向晶闸管
Q为光电耦合器发光源驱动晶体管，限流电阻R2可按 R1=(VCC-VF)/IFT计算。光电耦合器的IFT(发光源二极管触发电流 )为15mA；VF(发光源二极管的正向电压)，可取1.2～1.4V。当 输入控制端为高电平时，晶体管Q导通，光电耦合器触发双向 晶闸管D导通，接通交流负载。当双向晶闸管接感性交流负载时 ，为了防止浪涌电压损坏双向晶闸管，在双向晶闸管两极间并 联一个RC阻容吸收电路。R3为双向晶闸管的门极电阻，可提高 抗干扰能力。R4为触发功率双向晶闸管的限流电阻，其值由交 流电网电压峰值及触发器输出端 允许重复冲击电流峰值决定，可 按式：R4=VP/ITSM选取。VP为交 流电路中的峰值电压，ITSM为峰 值重复浪涌电流(一般可取1A)。
光电耦合器的分类
根据光电耦合器输入输出关系可分为：非线性光电耦合器 和线性光电耦合器。 非线性光电耦合器的电流传输特性曲线是非线性的，这类 光电耦合器适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。常 用的4N系类光电耦合器属于非线性光电耦合器； 线性光电耦合器的电流传输特 性曲线接近直线，并且小信号时性 能较好，能以线性特性进行隔离控 制。常用的线性光电耦合器是 PC817系列。 CTR-电流传输比 IF-正向电流
(a)晶体管型
(b) 基极引出的晶体管型 (c) 达林顿型 常用光电耦合器内部结构
(d) 晶闸管型
非线性理器间的联系，避免 一旦驱动电路发生故障造成功率放大器中的高电平信号进入微 处理器而损坏器件，并可提高系统抗干扰的能力。 步进电机绕组采用达林顿管TIP142驱动。当控制信号输入 为高电平1时，晶体管Q1导通，发光二极管亮，光电耦合器A中 的光敏三极管导通，晶体管Q2导通，达林顿管T导通，步进电 机某一相控制绕组通电。反之，当控制信号输入为低电平0时， 晶体管Q1截止，光电耦合器A中的光敏三极管截止，晶体管Q2 截止，达林顿管T截 止，步进电机某一相 控制绕组不通电。D 为步进电机绕组放电 二极管。
光电耦合器驱动双向晶闸管电路图
非线性光耦驱动电路与负载短路保护电路
驱动电路： 用光电耦合器驱动继电器的典型电路（参见教程202页 ）。 负载短路保护电路 当主回路电流超过额定值时，光电耦合器A中的光敏三极管 导通，Vout端输出低电平。在该电路中，测量回路与开关控制电 路间有效地实现了电隔离（参见教程203页 ）。
光电耦合器驱动继电器的典型电路
负载短路保护电路
非线性光耦实现信号光电隔离放大电路
单电源供电的直流信号光电耦合放大电路
单电源供电的模拟信号光电耦合放大电路
线性光电耦合放大电路
由HCNR200构成的单电源供电的直流电压光电耦合传输电路
由HCNR200构成的单电源供电的交流电压光电耦合传输电路
线性与普通光耦的典型特性曲线图 (虚线线性和实线普通)
电耦合器输出形式
根据光电耦合器输出形式可分为： a. 光敏器件输出型：光敏二极管输出型，光敏三极管输出型， 光电池输出型，光可控硅输出型等。 b. NPN三极管输出型：交流输入型，直流输入型，互补输出 型等。 c. 达林顿三极管输出型：交流输入型，直流输入型。 d. 逻辑门电路输出型：门电路输出型，施密特触发输出型， 三态门电路输出型等。 e. 功率输出型：IGBT/MOSFET等输出。