光電耦合器在接口電路中的應(yīng)用

文/鄭椿昊，河南省實(shí)驗(yàn)文博學(xué)校

1 引言

第二次科技革命為我們帶來(lái)了璀璨的電氣時(shí)代，而電氣時(shí)代最主要的特征就是電氣的應(yīng)用。隨著時(shí)間的發(fā)展，電氣已經(jīng)越來(lái)越成為人們生活的必需品。但是隨著電氣的增加，到底如何才能讓電器的威脅變得可控，是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。在經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)過(guò)后，人們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于電能的控制，是保證用電安全的最佳措施。在上個(gè)世紀(jì)，二極管承擔(dān)了這個(gè)重要的任務(wù)。隨之而生的，還有光敏半導(dǎo)體管。這兩樣?xùn)|西的齊備，就讓電氣世界出現(xiàn)了一種全新的工具——光電耦合器。這種光電耦合器最重要的作用就是能夠?qū)崿F(xiàn)電能的轉(zhuǎn)化，這樣可以很好的保證電路在銜接的時(shí)候的安全，而且能夠?qū)崿F(xiàn)電能的自由控制。這在當(dāng)前來(lái)看，是非常具有意義的。接下來(lái)筆者就與大家一起來(lái)探究光電耦合器與接口電路之間的聯(lián)系。

2 光電耦合器

2.1 光電耦合器定義

光電耦合器，顧名思義，就是光與電的結(jié)合裝置。其主要的作用其實(shí)是應(yīng)該分為三部分的。首先是光電耦合器有一個(gè)發(fā)射裝置。這個(gè)發(fā)射裝置其主要發(fā)射的內(nèi)容就是光能，通過(guò)光纖作為媒介，將內(nèi)在的光信號(hào)發(fā)射出去，就是這個(gè)裝置的全部作用。也是光電耦合器中，作為光的部分。其次是傳輸。這一部分主要是由光線來(lái)完成的。發(fā)射裝置將其內(nèi)在的光信號(hào)發(fā)射到光纖中，光纖負(fù)責(zé)運(yùn)輸?shù)搅硪欢?。這就是光電耦合器運(yùn)作的第二個(gè)部分。而第三個(gè)部分就是接收裝置。這個(gè)接收裝置既負(fù)責(zé)接收，也負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)化和輸出。算是一個(gè)復(fù)合類型的裝置。其主要的運(yùn)作方法就是從發(fā)射端接收到光信號(hào)后，通過(guò)自身轉(zhuǎn)化為電能，然后將電能輸送到電路中去。因此，光電耦合器雖然是一個(gè)基礎(chǔ)的電氣設(shè)施，但是其內(nèi)部的構(gòu)造其實(shí)是相對(duì)要復(fù)雜一些的。屬于典型的高科技產(chǎn)物。

2.2 光電耦合器的組成

2.2.1 二極管

二極管在上個(gè)世紀(jì)，一直都是電路系統(tǒng)中的主力，直到今天，我們也能在大多數(shù)的電子器械中看到二極管的身影。那么二極管是什么呢？二極管是電子元件中最簡(jiǎn)單的一個(gè)，其主要的作用就是負(fù)責(zé)電流的單向傳送。它的操作原理是，在一個(gè)真空管道中，設(shè)置兩個(gè)極，其中一個(gè)極點(diǎn)代表正電，另一個(gè)極點(diǎn)代表著負(fù)電。通過(guò)電子之間正負(fù)電的相互吸引，形成一個(gè)電流的走向。而這個(gè)電流的走向，就是二極管對(duì)于電流的輸送方向。由于二極管制造簡(jiǎn)單，而且方便實(shí)用。二極管的使用之處非常之多。也是電子元件中元老級(jí)的存在。

2.2.2 光敏半導(dǎo)體管

在光電耦合器的組成中，光敏半導(dǎo)體管的主要作用其實(shí)就是一個(gè)接收的裝置。它主要的作用其實(shí)是接收光信號(hào)，并且將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電能的。這個(gè)原件和二極管是能夠相互組合的，因此被廣泛的應(yīng)用于光電轉(zhuǎn)換的各種裝置之中。

3 光電耦合器特點(diǎn)

光電耦合器具有下列特點(diǎn)：

3.1 電隔離功能。這個(gè)功能是讓光電耦合器可以作為一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的主要功能。因?yàn)樵诠怆婑詈掀髦?，其?shí)每一個(gè)部分都是分開(kāi)的，期間并沒(méi)有電流的存在，而且除了光電耦合器的兩端，其他的部分也沒(méi)有介入到電路之中。因此，能夠?qū)㈦娐分袃啥说碾娔芨綦x開(kāi)來(lái)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，這就是一個(gè)類似于開(kāi)關(guān)的裝置。只有開(kāi)啟光電耦合器，才能讓電路形成一個(gè)完整的回路，保證電能的暢通，如果沒(méi)有閉合，那么，整個(gè)電路就是斷開(kāi)的狀態(tài)。

3.2 信號(hào)傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用，適用于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。這個(gè)功能的出現(xiàn)主要是因?yàn)槠渌捎玫男盘?hào)發(fā)射源是二極管，二極管都是單項(xiàng)的輸送，因此，其中的信號(hào)也被定出了方向，只能夠進(jìn)行單一方向的傳送。事實(shí)上，這種單向的傳輸，也非常有利于電路的設(shè)計(jì)，能夠非常好的保護(hù)電路。因?yàn)楫?dāng)前的電路基本都是單向的電路，如果光信號(hào)的傳輸是雙向的，那么一旦光信號(hào)與電能的流動(dòng)方向是逆向，那么就會(huì)造成電路的損傷。這也是為什么很多的電路中，都喜歡大量的使用二極管與半導(dǎo)體的原因。

3.3 抗干擾和噪聲能力。在作為繼電器和變壓器使用時(shí)，可以使線路上看不到磁性元件，它不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。

3.4 響應(yīng)速度快。一般可達(dá)微秒數(shù)量級(jí)，甚至納秒數(shù)量級(jí)。

3.5 使用方便。具有一般固體器件的可靠性，體積小、質(zhì)量輕、抗震、密封防水。性能穩(wěn)定，耗電省，成本低工作溫度范圍廣。

3.6 即具有耦合特性又具有隔離特性。

3.7 使用壽命長(zhǎng)。這一點(diǎn)在當(dāng)前來(lái)看也是光電耦合器的一大特色。因?yàn)榇蟛糠值碾娮釉荚敢獍l(fā)生損毀，但是光電耦合器因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等原因，就導(dǎo)致其使用的壽命通常很長(zhǎng)。這樣可以非常好的保證電路的使用。

4 光電耦合器應(yīng)用設(shè)計(jì)

某接口電路板在設(shè)計(jì)時(shí)需要完成信號(hào)隔離、電平轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)功能，采用光電耦合器作為主器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)所需功能，主要功能框圖如下：

按照接口電路板的功能需求，采用光電耦合器TIP621-4將外部模擬量、離散量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線；采用光電耦合器TIP621-4將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線上的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備需要的離散量和模擬量，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)后送出。由于光電耦合器具有隔離功能，輸入的模擬量、離散量后計(jì)算機(jī)總線上的數(shù)字量之間以及計(jì)算機(jī)總線上的數(shù)字量和輸出的模擬量、離散量之間沒(méi)有任何的電流信號(hào)的接通，即輸入、輸出的信號(hào)之間沒(méi)有相互的干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

利用光電耦合器設(shè)計(jì)的接口電路，不但實(shí)現(xiàn)了不同電平之間的轉(zhuǎn)換，且有效隔離了前后級(jí)之間的相互影響；輸入、輸出信號(hào)獨(dú)有的光信號(hào)傳輸方式，防止外部設(shè)備產(chǎn)生的電磁、噪聲、尖峰浪涌等干擾信號(hào)傳入到計(jì)算內(nèi)。光電耦合器組成的接口電路板功能既滿足了計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的正常信號(hào)交換，又提高了計(jì)算機(jī)工作的可靠性，具有良好的市場(chǎng)前景。

【參考文獻(xiàn)】

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