光耦合器或光隔離器是一種電子器件，通過發(fā)射光穿過其輸入和輸出之間的電氣隔離柵來傳輸電子信號(hào)。光耦合器的主要目的是防止隔離柵一側(cè)的高電壓或電壓尖峰損壞組件或干擾傳輸?shù)搅硪粋?cè)的信號(hào)。市售光耦合器可以承受3 kV至10 kV的輸入-輸出電壓，以及速度高達(dá)10 kV/μs的電壓瞬變。該器件一般在一端集成紅外LED作為輸入，在另一端集成光電探測(cè)器（例如光電二極管或光電晶體管），并在兩者之間加設(shè)隔離柵，如圖1所示。當(dāng)LED關(guān)閉時(shí)，也就是不發(fā)光時(shí)，沒有光電流進(jìn)入晶體管基極，晶體管關(guān)閉。當(dāng)LED中有電流流過時(shí)，就會(huì)發(fā)光，會(huì)有足夠的光電流進(jìn)入晶體管基極，晶體管開啟。

圖1.NPN型晶體管光耦合器。

構(gòu)建指南

本實(shí)驗(yàn)的第一步是使用 ADALP2000 模擬部件套件中的紅外LED和NPN光電晶體管構(gòu)建自己的光耦合器。如果您不使用部件套件來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以使用相似器件來代替，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)因選擇的器件而異。

首先，將LED和光電晶體管的引線彎曲90°，這樣插入無焊試驗(yàn)板時(shí)，它們彼此相對(duì)且處于同一高度。為了保證它們正確對(duì)齊，并阻止雜散環(huán)境光進(jìn)入，最好使用短管或切割到合適寬度的黑色絕緣膠帶，纏繞LED和光電晶體管組合體，如圖4所示。

圖4.構(gòu)建好的耦合器。

材料

ADALM2000 主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

無焊試驗(yàn)板

跳線

兩個(gè)2.2 k?電阻

一個(gè)單通道運(yùn)算放大器，例如 OP27

說明

在無焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖5所示的電路。注意，NPN光電晶體管配置為電流吸收器，其發(fā)射極接地。注意，光電晶體管的兩根引線中，較長(zhǎng)的是集電極，兩根LED引線中較短的一根接地。仔細(xì)查看組件數(shù)據(jù)手冊(cè)，確保連接正確。

圖5.光耦合器輸入-輸出特性電路。

硬件設(shè)置

配置波形發(fā)生器生成100 Hz三角波，峰峰值幅度為3 V，偏移為2.5 V。兩個(gè)示波器通道均應(yīng)設(shè)置為每格1 V。

程序步驟

示波器通道1用于測(cè)量電阻R1兩端的電壓，從而測(cè)得LED的輸入電流。示波器通道2用于測(cè)量電阻R2兩端的電壓，從而測(cè)得NPN型晶體管的輸出集電極電流。電流傳輸比(CTR)就是這兩個(gè)電流的比值。CTR用于衡量器件的增益、效率或靈敏度。

圖7.光耦合器Scopy圖波形。

Directions

現(xiàn)在，將示波器通道1的1–輸入移動(dòng)到接地。然后，將示波器通道2的2+輸入移動(dòng)到光電晶體管的集電極，將示波器輸入2–移動(dòng)到接地。

配置波形發(fā)生器生成5 kHz方波，峰峰值幅度為5 V，偏移為2.5 V。兩個(gè)示波器通道均應(yīng)設(shè)置為每格1 V。

程序步驟

示波器通道1現(xiàn)在測(cè)量輸入信號(hào)，示波器通道2測(cè)量輸出信號(hào)。光耦合器的速度可以通過輸入和輸出波形之間的延遲進(jìn)行表征。衡量器件速度的另一個(gè)指標(biāo)是輸出波形的上升和下降時(shí)間。測(cè)試光耦合器的頻率響應(yīng)還有一種方法：使用Scopy軟件中的網(wǎng)絡(luò)分析儀。將頻率掃描范圍設(shè)置為10 Hz至100 kHz。將AWG峰峰值幅度設(shè)置為2 V，AWG偏移設(shè)置為3 V，或者直流偏移作為耦合器電路的輸出信號(hào)中心時(shí)的電壓。

使用電壓-電流轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)LED

將LED置于作為電壓-電流轉(zhuǎn)換器的運(yùn)算放大器的反饋回路中，可以大大降低LED的非線性帶來的影響。

說明

調(diào)整您的無焊試驗(yàn)板，使其電路與圖8所示的電路相似。注意，NPN光電晶體管現(xiàn)在配置為電流源，其集電極連接至正5 V電源Vp。這是為了表明：如何配置晶體管端子上的電壓其實(shí)無關(guān)緊要。

圖8.電壓-電流LED驅(qū)動(dòng)器。

硬件設(shè)置

配置波形發(fā)生器生成100 Hz三角波，峰峰值幅度為3 V，偏移為2.5 V。兩個(gè)示波器通道均應(yīng)設(shè)置為每格1 V。

程序步驟

對(duì)圖5中由電阻驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單電路版本執(zhí)行相同的測(cè)量操作。將AWG波形切換為方波，然后測(cè)量延遲、上升和下降時(shí)間，并記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。將AWG波形切換為正弦波（與之前一樣，1 kHz頻率），再次測(cè)量諧波失真。注意調(diào)整AWG幅度和偏移，以得到和之前電路相似的輸出波形。

圖9.電壓-電流LED驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)板連接。

圖10.電壓-電流LED驅(qū)動(dòng)器示波器波形。

模擬隔離放大器

要構(gòu)建線性度更高的放大器，可以使用兩個(gè)匹配的光耦合器。最好在此電路中使用集成版本。

之前的電壓-電流配置降低了LED的非線性度。如果我們?cè)诜答伝芈分性黾右粋€(gè)光電晶體管，即可降低光電晶體管的光電轉(zhuǎn)換特性導(dǎo)致的非線性影響。

材料

兩個(gè)NPN光耦合器（參見附錄查看具體器件選項(xiàng)）

一個(gè)0.0047 μF電容(472)

一個(gè)470 ?電阻

說明

在無焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖11所示的電路。光耦合器的實(shí)際布線可能因使用的封裝類型而異（4引腳封裝或6引腳封裝等）。圖中所示的引腳數(shù)量一般是4引腳封裝的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量。注意參考制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)了解如何正確連接器件。

圖11.單極性電壓輸入。

圖12.雙極性電壓輸入。

硬件設(shè)置

與之前的兩種配置一樣，先設(shè)置波形發(fā)生器生成100 Hz三角波，峰峰值幅度為4.8 V，偏移為2.5 V。兩個(gè)示波器通道均應(yīng)設(shè)置為每格1 V。

程序步驟

重復(fù)對(duì)之前兩個(gè)電路版本執(zhí)行的相同測(cè)量操作。將AWG波形切換為方波，然后測(cè)量延遲、上升和下降時(shí)間。將AWG波形切換為正弦波（與之前一樣，1 kHz頻率），再次測(cè)量諧波失真。注意調(diào)整AWG幅度和偏移，以得到與之前電路相似的輸出波形。

審核編輯：郭婷