光電耦合元件

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LED與光電耦合元件的概要圖,左邊是光源(LED),中間是阻隔介質,右邊是感測器(光電晶體)[note 1]

光電耦合元件是以(含可見光紅外線等)作為媒介來傳輸電信號的一組裝置[1],其功能是平時維持電信號輸入、輸出間有良好的隔離作用,需要時可以使電信號通過隔離層的傳送方式。光電耦合元件(英语:optical coupler,或英语:photo coupler),亦稱光耦合器、光隔離器以及光電隔離器,簡稱光耦

光電耦合元件可以在二個不共地的電路之間傳遞信號,二電路之間即使有高壓也不會影響[2]。商用的光電耦合元件其輸入對輸出的耐壓可以到10 kV[3],而電壓變化率可以快到10 kV/μs[4]

光電耦合元件可分為模拟数字兩種,主要由光發射器和光偵測器組成。兩種元件通常會整合到同一個封裝,但它們之間除了光束之外不會有任何電氣或實體連接。

常見的光電耦合元件是將發光二極體(LED)及光電晶體(LED)放在一個不透明的封裝中。其他的組合有LED-光电二极管、LED-晶閘管#LASCR燈泡-光敏电阻。光電耦合元件一般會傳遞数字信号,但配合一些技術,也可以用光電耦合元件傳送模拟信号。

歷史[编辑]

用光學方式耦合固態光發射器及半導體感測器的想法是在1963由Akmenkalns等人提出(US patent 3,417,249)。光敏電阻為基礎的光電耦合元件在1968年問世,其速度慢,但是是最線性隔離元件,在音樂及音響產業中仍有其利基市場。LED技術在1968–1970年的商品化,使得光電工程大幅成長,在1970年代末各種主要的光電耦合元件均已開發出來。光電耦合元件的主力是雙極性的矽光晶體感測器[5],可以達到足夠的的傳輸速度,足以用在像腦電圖之類的應用上[6],目前最快的光電耦合元件是利用光導模式的PIN型二极管

結構[编辑]

光耦合器一般由三部分組成:光的發射、光的接收及信號放大。

輸入的電信號驅動發光二極體,使之發出一定波長的光,被光探測器接收而產生光電流,再經過進一步放大後輸出。這就完成了電—光—電的轉換,從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由於光耦合器輸入輸出間互相隔離,電信號傳輸具有單向性等特點,因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由於光耦合器的輸入端屬於電流型工作的低阻元件,因而具有很強的共模抑制能力。所以,它在長線傳輸資訊中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在電腦數位通信及即時控制中作為信號隔離的介面器件,可以大大增加其工作之可靠性。

應用[编辑]

光電耦合元件廣泛用於電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振盪器、信號隔離、級間隔離、脈衝放大電路數位儀錶、遠距離信號傳輸、脈衝放大、固態繼電器(SSR)、儀器儀錶、通信設備及微機電介面中。
在單片開關電源中,利用線性光耦合器可構成光耦回饋電路,通過調節控制端電流來改變占空比,達到精密穩壓目的。

種類[编辑]

  • 電晶體耦合器:具有較高的換能效率,高耐壓性,低輸入驅動能力
  • 高速積體電路輸出耦合器:它有提供高速集成光能力的接收元件,速度為1-10兆赫茲
  • 三端雙向可控矽耦合器:這種類型的耦合器主要用來控制AC載荷,例如發動機螺線管
  • 線性耦合器:結構由紅外線LED,與紅外線接收二極體組成,其輸出為純電流訊號。輸入電流與輸出電流有線性關係比,在光電二極體未飽和前,為線性輸出特性。
  • 光電繼電器SSR:又名固態繼電器或光電MOSFET,因為在一個輸出處裏裝配二顆MOSFET,在產品導通後,會與一般MOSFET相同,呈現電阻特性。

組態種類[编辑]

一般來說,光電耦合元件是封閉配對的配置,也就是在在一個不透明的封裝內有光發射器及光感測器面對面擺放。

有些光電耦合元件是「槽型耦合元件-中斷器」的組態,光電耦合元件在發射器及感測器之間有開槽,而且可以影響其信號。這類的光電耦合元件適用在物體偵測,振動偵測,以及無彈跳的切換。

有些光電耦合元件是「反射對」的組態,其中有一個光源會發射光,另一個接收源,但是是接收由其他物體反射的光。反射式的光電耦合元件適用在轉速表、運動偵測器以及反射監視器。

後面兩種也稱為「光感測器」(optosensors)。

腳註[编辑]

  1. ^ 也有些圖示會省略中間的阻隔介質,用有方向性的箭頭表示信號流動方向

參考資料[编辑]

  1. ^ Graf, p. 522.
  2. ^ Lee et al., p. 2.
  3. ^ Hasse, p. 145.
  4. ^ Joffe and Kai-Sang Lock, p. 279.
  5. ^ Graf, p. 522; PerkinElmer, p. 28.
  6. ^ See Ananthi, pp. 56, 62 for a practical example of an opto-coupled EEG application.

來源[编辑]

參看[编辑]

外部連結[编辑]