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哈尔滨工业大学 能源学院电工学课程论文 光电耦合器的原理与应用分析 学 院: 专 业: 班 号: 姓 名: 学 号: 指导教师: 二零一四年十二月二十八日目 录 摘 要 1 第1章 光电耦合器的结构与工作原理 2 1.1 光电耦合器 2 1.2 光电耦合器的工作原理 2 1.3 光电耦合器的结构 2 1.4 光电耦合器的种类 3 第2章 光电耦合器的失效 4 2.1 点胶工艺控制不佳导致胶开裂、起皮 4 2.2 光耦内部材料间热膨胀系数不匹配 4 2.3 内部沾污或水解氯导致腐蚀产生 4 2.4 塑料和内部有机胶吸潮发生“爆米花效应” 4 2.5 外部电路异常导致光耦失效 5 第3章 光电耦合器的应用 6 3.1 在开关电路中的应用 6 3.2 光电隔离高压驱动电路 7 3.3 利用负反馈改善输出信号线性 7 参考文献 9 摘 要 光电耦合器(简称耦合)是一种新型的电子器件，近年来在微型计算机及其他控制系统中应用十分广泛。这种器件用光来传递信息，可以使电路的输入和输出在电气上完全隔绝，并具备继电器或信号变压器的功能，同时还具有超越它们的优点。此外，它还具有体积小、重量轻、耐振动等优点。近年来，光电耦合器的发展很快，品种繁多而且具有优良的用途，应用前景广阔。 第1章 光电耦合器的结构与工作原理 1.1 光电耦合器 随着半导体技术和光电子学的发展，一种新型的半导体器件光耦合器于1966年问世。光电耦合器也称为光电隔离器或光耦合器，简称光耦。这是一种以光为耦合媒介，通过光信号的传递来实现输人与输出间电隔离的器件，可在电路或系统之间传输电信号，同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘[1]。 1.2 光电耦合器的工作原理 光耦的基本结构是将光发射器(红外发光二极管、红外LED)和光敏器(硅光电探 测敏感器件)的芯片封装在同一外壳内，并用透明树脂灌封充填作光传递介质，通常将光发射器的管脚作输入端，光敏器的引脚作为输出端。当输入端加电信号后，光发射器在电信号的作用下将其转换成光信号，其光的强弱与信号电流成正比，此光照射到封装在一起的受光器上后，再转变成输出电流加到负载上，从而完成电—光—电转换。此种信号传输方式的优点是信号回路与输出回路完全隔离，即没有电的直接连接，可以各自采用独立的电源系统，特别适用于长距离信号传输。 1.3 光电耦合器的结构 光电耦合器的主要结构是把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内，然后利用发光器件的管脚作输入端，而把光接收器的管脚作为输出端。当在输入端加电信号时，发光器件发光。这样，光接收器件由于光敏效应而在光照后产生光电流并由输出端输出。从而实现了以“光”为媒介的电信号传输，而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。这样就构成了一种中间通过光传输信号的新型半导体光电子器件。 图1.光电耦合器的外形及内部电路结构 光电耦合的特点主要有以下几点[2]： ●输入和输出端之间绝缘,其绝缘电阻一般都大于10108，耐压一般可超过1kV，有的甚至可以达到10kV以上。 ●由于“光”传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。 ●由于发光器件(砷化镓红外二极管)是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电流的电压信号。因此光电耦合器件的共模抑制比很大，所以，光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。 ●容易和逻辑电路配合。 ●响应速度快。光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒级。 ●无触点、寿命长、体积小、耐冲击。 1.4 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种类，其内部结构如图2所示。 光电耦合器的封装形式一般有管形、双列直插式和光导纤维连接三种。 图2. 内部结构[3] 图3. 三种结构的光电耦合器电路图[2] 第2章 光电耦合器的失效 鉴于光耦的工作原理、参数、封装结构与通常的半导体器件存在很大的差别,因此光耦存在与一般半导体器件不一样的失效机理,以下是对此进行的归纳总结[4]。 2.1 点胶工艺控制不佳导致胶开裂、起皮 光耦内部为了增加光的传输效率，达到增大电流传输比CTR，往往在二极管、三极管之间涂覆反射胶和导光胶。但如果点胶工艺控制不佳：如点胶量过少、固化温度不合适等，就会导致胶开裂、脱层,从而影响光耦的长期可靠性。 2.2 光耦内部材料间热膨胀系数不匹配 光耦内部有机胶的热膨胀系数CTE很难调整到与芯片、金丝内引线相匹配，当器件遭受剧烈的温度变化时，在芯片和胶之间就会存在水平方向上的剪切力