目標(biāo)

在本次實(shí)驗(yàn)中，將使用紅外LED和NPN光電晶體管構(gòu)建光耦合器。還將研究基于光耦合器的模擬隔離放大器和使用集成光耦合器的浮動(dòng)電流源的工作原理。 

NPN型晶體管光耦合器

背景知識(shí)

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。 

圖2.QED123紅外LED。 

圖3.QSD123紅外晶體管。 

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6.光耦合器Scopy圖波形。 

說明

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。 

圖7.光耦合器試驗(yàn)板連接。 

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)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10.電壓-電流LED驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)板連接。 

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。 

問題：

1.    能否說出使用光耦合器的優(yōu)勢(shì)？

2.    能否說出光耦合器的若干實(shí)際應(yīng)用？ 

您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到答案。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

關(guān)于作者

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab?、QA自動(dòng)化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：antoniu.miclaus@analog.com。

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。聯(lián)系方式：doug.mercer@analog.com。