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哈尔滨工业大学 能源学院电工学课程论文

光电耦合器的原理与应用分析

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二零一四年十二月二十八日

哈尔滨工业大学能源学院电工学课程论文

目 录
摘 第1章 要 ............................................................................................................................... 1 光电耦合器的结构与工作原理 ........................................................................... 2 1.1 光电耦合器 ........................................................................................................... 2 1.2 光电耦合器的工作原理 ....................................................................................... 2 1.3 光电耦合器的结构 ............................................................................................... 2 1.4 光电耦合器的种类 ............................................................................................... 3 第 2 章 光电耦合器的失效 ................................................................................................. 4 2.1 点胶工艺控制不佳导致胶开裂、起皮 ................................................................. 4 2.2 光耦内部材料间热膨胀系数不匹配 ..................................................................... 4 2.3 内部沾污或水解氯导致腐蚀产生 ......................................................................... 4 2.4 塑料和内部有机胶吸潮发生“爆米花效应” ..................................................... 4 2.5 外部电路异常导致光耦失效 ................................................................................. 5 第 3 章 光电耦合器的应用 ................................................................................................. 6 3.1 在开关电路中的应用 ............................................................................................. 6 3.2 光电隔离高压驱动电路 ......................................................................................... 7 3.3 利用负反馈改善输出信号线性 ............................................................................. 7 参考文献 ............................................................................................................................... 9

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摘 要 光电耦合器(简称耦合)是一种新型的电子器件, 近年来在微型计算机 及其他控制系统中应用十分广泛。这种器件用光来传递信息,可以使电 路的输入和输出在电气上完全隔绝,并具备继电器或信号变压器的功能, 同时还具有超越它们的优点。此外,它还具有体积小、重量轻、耐振动 等优点。近年来,光电耦合器的发展很快,品种繁多而且具有优良的用 途,应用前景广阔。

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第1章
1.1 光电耦合器

光电耦合器的结构与工作原理

随着半导体技术和光电子学的发展,一种新型的半导体器件光耦合器于 1966 年 问世。光电耦合器也称为光电隔离器或光耦合器,简称光耦。这是一种以光为耦合媒 介,通过光信号的传递来实现输人与输出间电隔离的器件,可在电路或系统之间传输 电信号,同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘[1]。

1.2

光电耦合器的工作原理

光耦的基本结构是将光发射器(红外发光二极管、红外 LED)和光敏器(硅光电探 测敏感器件)的芯片封装在同一外壳内,并用透明树脂灌封充填作光传递介质,通常 将光发射器的管脚作输入端,光敏器的引脚作为输出端。当输入端加电信号后,光发 射器在电信号的作用下将其转换成光信号,其光的强弱与信号电流成正比,此光照射 到封装在一起的受光器上后,再转变成输出电流加到负载上,从而完成电—光—电转 换。 此种信号传输方式的优点是信号回路与输出回路完全隔离, 即没有电的直接连接, 可以各自采用独立的电源系统,特别适用于长距离信号传输。

1.3

光电耦合器的结构
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光电子器件。

图 1.光电耦合器的外形及内部电路结构
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哈尔滨工业大学能源学院电工学课程论文 光电耦合的特点主要有以下几点[2]: ●输入和输出端之间绝缘,其绝缘电阻一般都大于 10108,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 电流的电压信号。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级。 ●无触点、寿命长、体积小、耐冲击。

1.4

光电耦合器的种类
一般发光器件都是砷化镓红外发光二极管,而受光器件一般有光敏二极管、硅光

敏晶体管、达林顿型光敏三极管、光控晶闸管型及集成电路型等种类,其内部结构如 图 2 所示。 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 2. 内部结构[3]

图 3. 三种结构的光电耦合器电路图[2]

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第 2 章 光电耦合器的失效
鉴于光耦的工作原理、参数、封装结构与通常的半导体器件存在很大的差别,因 此光耦存在与一般半导体器件不一样的失效机理,以下是对此进行的归纳总结[4]。

2.1 点胶工艺控制不佳导致胶开裂、起皮
光耦内部为了增加光的传输效率,达到增大电流传输比 CTR,往往在二极管、 三极管之间涂覆反射胶和导光胶。但如果点胶工艺控制不佳:如点胶量过少、固化温 度不合适等,就会导致胶开裂、脱层,从而影响光耦的长期可靠性。

2.2 光耦内部材料间热膨胀系数不匹配
光耦内部有机胶的热膨胀系数 CTE 很难调整到与芯片、金丝内引线相匹配,当器 件遭受剧烈的温度变化时,在芯片和胶之间就会存在水平方向上的剪切力。这种剪切 力可能导致有机胶从芯片上脱起来,同时将金丝从键合点上拉脱,也有可能导致将金 丝拉断。这种失效与封装结构和封装材料相关,往往会呈现批次性倾向,只能通过改 善封装结构和增强各材料之间的 CTE 匹配性进行来改进。

2.3 内部沾污或水解氯导致腐蚀产生
光耦内部芯片表面存在沾污物时,反射胶和高压树脂与芯片之间的粘接强度就会 下降,沾污物还会对芯片造成腐蚀。 如果有机胶中含有氯,氯在一定的条件下发生水解, 成为可以自由活动的氯离子,也会导致器件表面产生腐蚀。最先受到腐蚀的往往是芯 片上的铝焊点、铝布线,导致器件内部开路,腐蚀产物还可能产生漏电。

2.4 塑料和内部有机胶吸潮发生“爆米花效应”
塑料封装和内部的各种有机胶都是高分子材料,具有亲水、多孔性,易吸收周围 环境中的水汽。在再流焊时,高温可能造成内部的水汽压力增大、水汽急剧膨胀,从 而导致“爆米花效应”(界面分层、塑封料开、裂和键合丝拉脱)。塑封光耦内部材料 种类多、界面多且大,更有利于水汽进入。

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2.5 外部电路异常导致光耦失效
若三极管或信号处理电路设计不当,或者外部电路存在电异常,超过了光耦的极 限参数,也会导致器件失效。 常见的光电耦合器的失效形式图示如下:

(a)光耦内有机胶开裂

(b)光耦内部有机胶拉托键合点

(c)金丝球腐蚀产物能谱分析(含氯元素)

(d)塑封料发生“爆米花效应”破裂

(e)光敏三极管的键合丝过流过热熔融 图 4.几种常见的光电耦合器失效形式

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第 3 章 光电耦合器的应用
光电耦合器的基本应用有两个方面: (1)作为电信号传递器件。其作用相当于信 号变压器; (2)作为开关器件,其作用相当于继电器。作信号传递器件时,主要要求 其电流传输比 CTR 好,线性度好。CTR 即器件输出电流与输入电流的比值,它反映器 件传递电信号的效率; 作开关器件时, 主要要求其开关速度 (电—光—电的转换速度) 尽量高[5]。 下面对其应用举如下例子:

3.1 在开关电路中的应用
与继电器相比,光电耦合器作为开关器件时,具有速度快、无触点、耗能少等特 点,并在控制电路和开关电路之间有良好的电隔离性能,这对于一般的电子开关来说 是很难做到的。下图中图(1)、图(2)是两种简单的开关电路。图(1)是常开开关在输 人电脉冲作用下导通的情形,图(2)是常闭开关在输入电脉冲作用下断开的情形。图 (3)、图(4)是单刀双掷、双刀双掷开关电路[6]。

(1)常开电路

(2)常闭电路

(3)单刀双掷开关电路

(4)双刀双掷开关电路

图 5. 光电耦合器在开关电路中的应用
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3.2 光电隔离高压驱动电路
下图为一个实用的光电隔离高压驱动电路。选定如图所示元器件,此电路能从一 个 5 V CMOS 逻辑电路取得输入信号,并输出一个具有相同极性的高压。这个高压电 源可以在±30~±150 V 之间变化,而不需要更换电路元件[7]。

图 6 光电隔离高压驱动电路

3.3 利用负反馈改善输出信号线性
隔离电路设计的思路如下: (1)由于输入端通常有高压,因此抛弃传统的在输入端使用运放和独立隔离电源的做 法,可提高安全性,降低成本; (2)负反馈直接采用反馈光耦 PC3 的光电晶体管输出端与信号输入端(LL-N)并联,通 过调节电流使输入/输出光耦 PC1 的实际输入电流 I1 发生变化,以满足输出电流 Io 与实际输入信号电流 I 呈比例线性变化的要求; (3)负反馈实际上是利用了差值补偿,与传统的利用输入端运放实现负反馈有本质的
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哈尔滨工业大学能源学院电工学课程论文 不同,即将实际输入信号电流 I 的一部分通过 PC3 旁路 。
[8]

图 7 电路原理图

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参考文献
[01]唐红. 光电耦合器及其应用[J]. 贵阳学院学报: 自然科学版, 2007 (4): 7-10. [02]程开富. 光电耦合器的发展及应用[J]. 国外电子元器件, 2002 (1): 64-66. [03]武战强. 光电耦合器介绍及应用[J]. 家电检修技术: 资料版, 2007 (8): 61-62. [04]肖诗满. 光电耦合器封装及相关失效机理[J]. 半导体技术, 2011, 36(4): 328-331. [05]电工学[M]. 哈尔滨工业大学出版社, 2001. [06]何碧青. 光电耦合器的典型应用[J]. 洛阳大学学报, 2004, 18(4): 32-35. [07]陈艳峰, 丘水生. 实用线性光电隔离放大电路分析研究[J]. 电子技术应用, 1999, 25(7): 9-11. [08]叶克江. 基于光电耦合器的线性隔离方法及电路[J]. 现代电子技术, 2011, 34(3): 188-190.

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