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作者：Antoniu Miclaus，系統應用工程師和Doug Mercer，顧問研究員，ADI公司 目標 在本次實驗中，將使用紅外LED和NPN光電晶體管構建光耦合器。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電流源的工作原理。 NPN型晶體管光耦合器 背景知識 光耦合器或光隔離器是一種電子器件，通過發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。光耦合器的主要目的是防止隔離柵一側的高電壓或電壓尖峰損壞組件或干擾傳輸到另一側的信號。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器（例如光電二極管或光電晶體管），并在兩者之間加設隔離柵，如圖1所示。當LED關閉時，也就是不發光時，沒有光電流進入晶體管基極，晶體管關閉。當LED中有電流流過時，就會發光，會有足夠的光電流進入晶體管基極，晶體管開啟。 
圖1.NPN型晶體管光耦合器。 構建指南 本實驗的第一步是使用ADALP2000模擬部件套件中的紅外LED和NPN光電晶體管構建自己的光耦合器。如果您不使用部件套件來進行實驗，可以使用相似器件來代替，但實驗結果會因選擇的器件而異。
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°，這樣插入無焊試驗板時，它們彼此相對且處于同一高度。為了保證它們正確對齊，并阻止雜散環境光進入，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.構建好的耦合器。 材料 ► ADALM2000主動學習模塊 ► 無焊試驗板 ► 跳線 ► 兩個2.2 kΩ電阻 ► 一個單通道運算放大器，例如OP27 說明 在無焊試驗板上構建圖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。仔細查看組件數據手冊，確保連接正確。
圖5.光耦合器輸入-輸出特性電路。 硬件設置 配置波形發生器生成100 Hz三角波，峰峰值幅度為3 V，偏移為2.5 V。兩個示波器通道均應設置為每格1 V。 程序步驟 示波器通道1用于測量電阻R1兩端的電壓，從而測得LED的輸入電流。示波器通道2用于測量電阻R2兩端的電壓，從而測得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。 說明 現在，將示波器通道1的1–輸入移動到接地。然后，將示波器通道2的2+輸入移動到光電晶體管的集電極，將示波器輸入2–移動到接地。 配置波形發生器生成5 kHz方波，峰峰值幅度為5 V，偏移為2.5 V。兩個示波器通道均應設置為每格1 V。 程序步驟 示波器通道1現在測量輸入信號，示波器通道2測量輸出信號。光耦合器的速度可以通過輸入和輸出波形之間的延遲進行表征。衡量器件速度的另一個指標是輸出波形的上升和下降時間。測試光耦合器的頻率響應還有一種方法：使用Scopy軟件中的網絡分析儀。將頻率掃描范圍設置為10 Hz至100 kHz。將AWG峰峰值幅度設置為2 V，AWG偏移設置為3 V，或者直流偏移作為耦合器電路的輸出信號中心時的電壓。
圖6.光耦合器試驗板連接。 使用電壓-電流轉換器驅動LED 將LED置于作為電壓-電流轉換器的運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 調整您的無焊試驗板，使其電路與圖8所示的電路相似。注意，NPN光電晶體管現在配置為電流源，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無關緊要。
圖8.電壓-電流LED驅動器。 硬件設置 配置波形發生器生成100 Hz三角波，峰峰值幅度為3 V，偏移為2.5 V。兩個示波器通道均應設置為每格1 V。 程序步驟 對圖5中由電阻驅動的簡單電路版本執行相同的測量操作。將AWG波形切換為方波，然后測量延遲、上升和下降時間，并記錄在實驗報告中。將AWG波形切換為正弦波（與之前一樣，1 kHz頻率），再次測量諧波失真。注意調整AWG幅度和偏移，以得到和之前電路相似的輸出波形。
圖10.電壓-電流LED驅動器示波器波形。 模擬隔離放大器 要構建線性度更高的放大器，可以使用兩個匹配的光耦合器。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。如果我們在反饋回路中增加一個光電晶體管，即可降低光電晶體管的光電轉換特性導致的非線性影響。 材料 ► 兩個NPN光耦合器（參見附錄查看具體器件選項） ► 一個0.0047 μF電容(472) ► 一個470 Ω電阻 說明 在無焊試驗板上構建圖11所示的電路。光耦合器的實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）。圖中所示的引腳數量一般是4引腳封裝的標準數量。注意參考制造商數據手冊了解如何正確連接器件。
圖9.電壓-電流LED驅動試驗板連接。
圖11.單極性電壓輸入。
圖12.雙極性電壓輸入。 硬件設置 與之前的兩種配置一樣，先設置波形發生器生成100 Hz三角波，峰峰值幅度為4.8 V，偏移為2.5 V。兩個示波器通道均應設置為每格1 V。 程序步驟 重復對之前兩個電路版本執行的相同測量操作。將AWG波形切換為方波，然后測量延遲、上升和下降時間。將AWG波形切換為正弦波（與之前一樣，1 kHz頻率），再次測量諧波失真。注意調整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勢？ 2. 能否說出光耦合器的若干實際應用？ 您可以在學子專區論壇上找到答案。 關于作者 Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為Circuits from the Lab®、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。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軟件工程碩士項目的理學碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。聯系方式：antoniu.miclaus@analog.com。 Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。聯系方式：doug.mercer@analog.com。 |
