什么是光耦及其工作原理?
如果你曾經(jīng)拆開任何一個(gè)手機(jī)充電器或開關(guān)電源,你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些很小的黑色IC封裝,引腳數(shù)量不尋常,大多為4或6個(gè),都有SMD和通孔兩種。更不尋常的是,這些部件通常被發(fā)現(xiàn)在隔離槽和縫隙上,這使得它們的用途更加神秘。
這些組件稱為光電耦合器或光隔離器或者干脆視光它們?cè)陔娐返母綦x部分之間傳遞信號(hào)起著至關(guān)重要的作用。他們用光在電路之間傳遞信號(hào)。
什么是光耦及其工作原理
正如我們已經(jīng)了解到的晶體管,一個(gè)理想的晶體管將不允許任何電流通過,如果基腳不觸發(fā)。但是,如果你小心地去蓋一個(gè)普通的分立晶體管,并在集電極和發(fā)射極引線上施加電壓,你會(huì)注意到仍然有微小的電流流過!這是因?yàn)楣庹赵诒┞兜木w管芯片底部。
這意味著光子實(shí)際上能夠撞擊摻雜半導(dǎo)體材料中的空穴和電子。這就引出了一些非常有趣的可能性,第一種是光晶體管,基本上是一種沒有基極引線的雙端晶體管。它們看起來很像二極管,而且包裝清晰。在這里,光作為基極電流。光電二極管以非常相似的方式工作;它們根據(jù)照射到它們身上的光的多少來改變它們的“阻力”。
光電二極管和晶體管被用在像近距離傳感器這樣的東西上,根據(jù)照射在這些設(shè)備上的光的量來檢測(cè)這些設(shè)備上電壓或電流的微小變化。
如果我們能把一個(gè)LED和一個(gè)光電晶體管放在一個(gè)封閉的管里,來自LED的光(當(dāng)然,假設(shè)它是正確驅(qū)動(dòng)的)將照亮光電晶體管的“基座”并使其導(dǎo)電。這給我們留下了一個(gè)可以控制開關(guān)元件而不需要任何物理接觸的裝置!這樣的設(shè)備已經(jīng)存在,正如您所猜測(cè)的,它是光耦!
光耦輸入和輸出
光耦合器有許多不同的形狀、尺寸和速度(稍后將討論),但大多數(shù)具有相同的基本特性-二極管輸入和開關(guān)元件輸出。
這種二極管和其他LED很相似,只是你看不見光線(首先是因?yàn)樗b在一個(gè)密封的塑料包裝中,其次是因?yàn)樗饕?a href="http://srfitnesspt.com/tags/紅外/" target="_blank">紅外的)。它要求驅(qū)動(dòng)的電流和電壓與普通LED要求的相同,即幾伏和幾十毫安。
下面的動(dòng)畫將幫助您理解工作。這里使用的光耦是MCT2E公司光電晶體管IC。如你所見,LED的邏輯輸入控制晶體管的輸出。在這個(gè)集成電路中,輸出端由晶體管組成,但在任何情況下都必須如此。
光電晶體管的輸出端有點(diǎn)有趣,因?yàn)樗ǔS蒒PN型晶體管組成,如上圖所示,但有時(shí)它也可以是SCR或TRIAC,有時(shí)甚至是完全邏輯兼容的輸出!
要記住的一件大事是,由于基極基本上是由光驅(qū)動(dòng)的,所以“基極電流”非常非常非常低——你不能期望這些類型的晶體管完全飽和,而且由于基極電流很小,上升和下降的時(shí)間通常慢得可憐,就像我從艱難的道路上學(xué)到的那樣。當(dāng)然,邏輯輸出(和匹配的速度)光是可用的,但需要一個(gè)單獨(dú)的電源輸出側(cè)。
光輸出的好處是,由于它與輸入端完全電流隔離,所以它可以在任何電壓下浮動(dòng)——或者換句話說,它就像一個(gè)浮動(dòng)的“開關(guān)”,雖然不是一個(gè)很好的開關(guān)。
例如,你可以把晶體管的輸出放在低邊,并在集電極上加上一個(gè)拉高,這樣當(dāng)二極管被點(diǎn)亮?xí)r,晶體管就會(huì)把集電極拉低。你也可以把晶體管放在高邊,在發(fā)射極和輸出地之間加一個(gè)電阻,這樣當(dāng)輸入變高時(shí),發(fā)射極的輸出也會(huì)很高。
但請(qǐng)注意,由于基極驅(qū)動(dòng)的限制,大多數(shù)普通的光電管都有很高的飽和電壓,有時(shí)在1伏左右!
由于其速度慢,常規(guī)的光被用作電源反饋回路的一部分,并附加了完全隔離的好處。
正如你可能已經(jīng)猜到的,光電管不能做變壓器能提供的電力。雖然變壓器可以為隔離的電路供電,但用目前的技術(shù),我們不能通過光有效地傳輸電力。
但是光電管做的是變壓器不能做的事情——在電路之間傳遞信號(hào)非常高效和迅速,而不需要單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器。我們可以把一個(gè)光電管的輸入直接連接到一個(gè)微控制器的引腳上,但是對(duì)于信號(hào)轉(zhuǎn)換器,我們不能這樣做!
實(shí)用光耦建議
對(duì)于所有“慢”的目的,即幾千赫茲的信號(hào),我建議使用PC817型,一種非常常見的單光器件,采用DIP4或SMD封裝。向輸入端提供至少5mA。
對(duì)于更高的速度,我推薦TLP117,它有一個(gè)反向的邏輯輸出,但在輸出端需要5V電源。我得到了10微秒的脈沖,應(yīng)該可以告訴你它的速度!
雖然閱讀整個(gè)數(shù)據(jù)表似乎無關(guān)緊要,但最好還是實(shí)際操作。
其他光耦合器件
基于同樣的技術(shù),我們發(fā)現(xiàn)了一系列有用的設(shè)備-光SCR和光三位一體。光三端集成電路通常被稱為固態(tài)繼電器或SSL。它們基本上就像普通的繼電器一樣,但是使用光來觸發(fā)熱側(cè)雙向晶閘管,這比繼電器線圈消耗的電流要少得多。
一個(gè)缺點(diǎn)是半導(dǎo)體器件容易發(fā)生故障短路,而機(jī)電式繼電器則失效斷開。在關(guān)鍵應(yīng)用程序中,這是需要記住的。
光開關(guān) 另一方面,通常用于從隔離信號(hào)觸發(fā)大功率SCR。
審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:什么是光耦及其工作原理?
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