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光电耦合器的发展及应用
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光电耦合器的发展及应用
摘 要:半导体光电耦合器现已发展成为一类特殊的半导体隔离器件。它体积小、寿命长、
无触点、抗干扰、能隔离,并具有单向信号传输和容量连接等功能。文中介绍了光
电耦合器的典型结构和特点以及国内外的发展现状,最后给出了半导体电隔离耦合
器件的多种应用电路实例。
关键词:发光器件 光接收器件 输入 输出 光电耦合器
随着半导体技术和光电子学的发展,一种能有效地隔离噪音和抑制干扰的新型半导体器
件——光电耦合器于 1966 年问世了。光电耦合器的优点是体积小、寿命长、无触点、抗干
扰能力强、能隔离噪音、工作温度宽,输入输出之间电绝缘,单向传输信号及逻辑电路易连
接等。光电耦合器按光接收器件可分为有硅光敏器件(光敏二极管、雪崩型光敏二极管、PIN
光敏二极管、光敏三极管等)、光敏可控硅和光敏集成电路。把不同的发光器件和各种光接
收器组合起来,就可构成几百个品种系列的光电耦合器,因而,该器件已成为一类独特的半
导体器件。其中光敏二极管加放大器类的光电耦合器随着近年来信息处理的数字化、高速化
以及仪器的系统化和网络化的发展,其需求量不断增加。
1、 光电耦合器的结构特点
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电子器件。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 1 是三种系列的光电耦合器电路图。
光电耦合的主要特点如下:
输入和输出端之间绝缘,其绝缘电阻一般都大于 10 10Ω,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极。
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无触点、寿命长、体积小、耐冲击。
2、 光电耦合器的发展现状
日本光电耦合器的市场虽不太大,但却以 40%的年增长率增大,其主要原因是每一个程
序控制器里都要用到 20~30 个甚至更多的光电耦合器。现在,光电耦合器已显示出一种朝
大容量和高速度方向发展的明显趋势。美、日两国生产的光电耦合器以红外发光二极管和光
敏器件管组成的器件为主,该类器件大约占整个美、日两国生产的全部光电耦合器的 60%左
右。因为这种类型的器件不仅电流传输效率高(一般为 7~30%),而且响应速度比较快(2~
5μs),因而能够满足大多数应用场合要求。日本横河电机公司用 GaAsP 红外发光二极管作
输入端,PIN光电二极管作接收端制成的三种高速光电耦合器的绝缘电压都在 3000伏以上,
其中 5082—43610 型超高速数字光电耦合器和 5082—4361 型高共模抑制型光电耦合器的响
应速度均可达到10Mb/s,它们的电流传输效率高达60%以上。美国莫托罗拉公司生产的4N25、
4N26、4N27型光电耦合器属于三极管输出型光电耦合器[2],这种光电耦合器具有很高的输
入、输出绝缘性能,其频率响应可达 300kHz,而开关时间只有几微秒。
在日本电气公司(NEC)生产的高速光电耦合器中,PS2101型光电耦合器是一种通用的
四脚扁平组件,它采用砷铝镓红外发光二极管和硅光电晶体管组合而成,并将其封装 4×4.4
×2 立方毫米的体积之内,其响应速度为 10μs。而 PS2041 和 PS2042 型光
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