电路中的光耦合器Optocoupler

文摘   2025-01-24 08:49   陕西  

电路中的光耦合器,不同于光纤器件的耦合器。

光耦合器Optocoupler

下图a所示是一个LED 驱动光敏晶体管。它的原理很简单,Vs的变化会改变LED 的电流,从而改变通过光敏晶体管的电流,导致集电极-发射极两端电压的改变。这样,信号就由输入电路耦合到了输出电路。

光耦合器的一大优点是实现了输入和输出电路之间的电隔离。换句话说,输入电路的公共点和输出电路的公共点是不同的,因此两个电路之间没有电通路。这意味着可以将其中一个电路接地,而另一个电路的地浮空。例如,可以将输入电路的地接到仪器的机架上,而输出电路的公共端不接地。上图b是一个典型的光耦合器集成电路。

知识拓展:光耦合器实际上是用来替代机械继电器的。它在功能上与机械继电器相似,可以使输入端和输出端之间高度隔离。相比之下,光耦合器具有以下优点:工作速度更快,无触点反弹,尺寸更小,无需黏附运动部件,并且可与数字微处理器电路相兼容。


应用举例

图a中,光耦合器4N24 实现了电力线与过零检测器电路的电源线的隔离。集电极电流与LED 电流的关系如图b 所示。可以用如下方法计算光耦合器的输出电压峰值。

桥式整流器产生的全波电流流过LED, 忽略二极管压降,则通过LED 的电流峰值为:

A光敏晶体管的饱和电流值为:

图b所示是三个不同光耦合器在相应LED 电流下的光敏晶体管电流的静态特性曲线。对于4N24 ( 最上面的曲线),当负载电阻为0 时, 10.2mA 的LED 电流产生约15mA 的集电极电流。由图a可知,由于光敏晶体管在2mA 时饱和,所以电流不可能达到15mA 。也就是说, LED 的电流足以使光敏晶体管进入饱和。由于LED 的峰值电流为10.2mA, 所以晶体管在一个周期的大部分时间里都是饱和的。这时,输出电压约为0,如图c所示。

当电力线电压极性发生改变时,则出现零点,可能从正电压变成负电压,也可能从负电压变成正电压。在过零点, LED 电流降到0, 此刻,光敏晶体管开路,输出电压上升到将近20V, 如图c 所示。可见,输出电压在一个周期中的大部分时间里近似为零,在过零点,快速上升到20V 然后下降到基准线。

图a所示的电路很有用,因为该电路不需要变压器来实现与电力线的隔离,而是通过光耦合器实现隔离,而且该电路还可以检测过零点。在有些应用中需要将电路与电力线电压频率同步,就需要使用这种过零检测器。


资料:Electronic Principle电子电路原理,s, 8th ed.Albert P. Malvino和David J. Bates


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