２０１５年０２期 科技曩向导 ◇科技之窗◇ 光耦合器在通信中的应用探讨 杨海平 （中国民用航空华东地区空中交通管理局气象中心技术装备室中国上海２００３３５） 【摘要】本文论述光耦合器在通信传输中作为电气隔离方法的意义与可行性，提出举例说明和目的目标。 【关键词】光耦合器；通信；电气隔离；意义；可行性；举例；目标 Ｏ．引言 如今的世界里通信传输已广泛存在于我们的日常生活中．被传输 的数据也已经成为了生产生活中重要的生产资料 同时作为传输终端 的通信机或通信模块经常会厩临来自通信线路本身可能引来的大电 流（电涌、雷击）损害，这时就需要找到一种有效、可靠、低成本的电气 隔离方法。 光耦合器亦称光电隔离器或光电耦合器．简称光耦。它是以光为 媒介来传输电信号的器件．通常把发光器（发光二极管ＬＥＤ）与受光器 （光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出 光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了 “电一光一电”转换 以光为媒介把输人端信号耦合到输出端的光电耦 合器，具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝 缘．单向传输信号等优点 ＩＩ Ｉ１．光电耦合机制介绍 １．１光电耦合原理 光耦合器一般由 部分组成：（１）光的发射、（２）光的接收及（３）信 号放大。输入的电信号驱动发光二极管（ＬＥＤ）发出一定波长的光，被光 探测器接收而产生光电流．再经过进一步放大后输出。这就完成了电一 光一电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输人输 出间互相隔离．电信号传输具有单向性的特点．因此具有良好的电绝缘 能力和抗干扰能力 所以．它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以 大大提高信噪比 在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接 口器件，可以大大提高计算机ｌＴ作的可靠性 又由于光耦合器的输人端 ２．光电耦器件举例说明 属于电流型Ｔ作的低阻元件．因而具有很强的共模抑制能力。 ２．１ ４ｎ２５光电耦合器的实际应用 １．２光电耦合种类 本文将以４ｎ２５型光电耦合器为例来说明实际应用．４ｎ２５是一种 光电耦合可分为两种：一种是非线性光耦．另一种是非线性光耦。 主要性能参数见ｍｏｔｏｒａｌａ ４ｎ２５ ｄａｔａｓｈｅｅｄ Ｉ。最大反 非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的．这类光耦适合于开关信 常用的光电耦合器．号的传输．不适合模拟量的传输．所以本文主要介绍的就是非线性光 向电压达到３伏特．最大隔离电压达到７５００伏特．在二极管正向电流 １０ｍＡ、三极管输出上拉电压１Ｏｖ、上拉电阻１００欧姆的情况下脉冲开 耦。 启、关闭时间分别是２．８微秒和４．５微秒，脉冲上升、下降时间分别是 光耦合还有如下几种分类： （１）按光路径分．可分为外光路光电耦合和内光路光电耦合。其中 １．２微秒和１．３微秒 外光路光电耦合又可分为透过型光电耦合和反射型光电耦合。 接下来以５０％占空比的二进制９６００波特率速度的信号脉冲来计 （２）按输出形式分，光敏器件输出型、ＮＰＮ三极管输出型、达林顿 算，一个这样的脉冲信号其脉宽长度ｔ更具公式ｔ：１／（波特率ｘ２）可知 极管输出型、逻辑门电路输出型、低导通输出型、光开关输出型、功 道脉宽ｔ大约为５０微秒 那么４ｎ２５所具备的脉冲开启时间、关闭时 率输出型。 间、上升时间、下降时间足够应用于一个二进制９６００波特率信号的电 （３）按传输信号分．可分为数字型光电耦合和模拟输出光电耦 气隔离需求 合。 ２．２ ４ｎ２５光电耦合器的电气特性图分析及选型说明 （４）按速度分．可分为低速光电耦合和高速光电耦合。 首先来看图１１２１．图中的两幅图分别是＝：极管集电极电流与三极 （５）按通道分．可分为单通道、双通道和多通道光电耦合。 管集电极发射极的电压关系图和三极管集电极电流受温度影响的关 （６）按隔离特性分．可分为普通隔离光电耦合和高压隔离光电耦 系图 从电压关系图中可以发现４ｎ２５型光电耦合器在二极管输入电 合。 流为１０ｍＡ时．＝三极管输出电流跟随三极管集电极发射极电压有良好 （７）按 作电斥分，可分为低电源电压型光电耦合和高电源电压 的线性变化段：从温度特性图中同样可以获取信息，４ｎ２５型光电耦合 光电耦合 器在一１０￣Ｃ￣４５摄氏度间能保持良好的集电极电流稳定性。因此在实 １．３光电耦合结构特点 际应用选型器件是可以根据器件特性曲线选择满足设计应用需要的 （１）输入和输出端之间绝缘．其绝缘电阻一般都大于１００００ＭＱ． 器件作为光耦合隔离器件。 耐压一般可超过ｌｋｖ，有的甚至可以达到１０ｋＶ以上。 （２）光接收器只能接受光源的信息，反之不能，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。 （３）发光器件是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电 流电压信号。因此光电耦合器的共模抑制比很大，所以，光电耦合可以 很好地抑制干扰并消除噪音 图１ ４ｎ２５光电耦合器的特性曲线目 （４）容易和逻辑电路配合。 （６）无触点、寿命长、体积小、耐冲击。 １．４光电耦合的技术特性指标 输入输出极限特性： （１）ＶＲ ＬＥＤ发光二极管最大反向电压单位：ｖ（伏特）。 （２）ＩＦ ＬＥＤ发光二极管最大正向电流单位：ｍＡ（毫安）。 （３）ＰＤ ＬＥＤ发光二极管最大功耗单位：ｍＷ（毫瓦）。 （４）ＶＣＥＯ三极管集电极发射极最大电压单位：ｖ（伏特）。 （５）ＶＥＣＯ三极管发射极集电极最大电压单位：ｖ（伏特）。 （６）ＶＣＢＯ三极管集电极基极最大电压单位：ｖ（伏特）。 （７）ＩＣ三极管集电极最大持续电流单位：ｍＡ（毫安）。 （８）ＰＤ三极管最大功耗单位：ｍｗ（毫瓦）。 （９）ＶＩＳＯ光耦合最大交流隔离电压单位：ｖ（伏特）。 （１０）ＴＡ＿Ｔ作允许环境温度单位：℃（摄氏度）。 工作时电气特性： （１）Ｖｆ ＬＥＤ发光二极管正向工作电压单位：ｖ（伏特）。 （２）Ｉｒ ＬＥＤ发光二极管反向击穿电流单位：ｍＡ（毫安）。 （３）ｈＦＥ二三极管之流电流增益单位：倍。 （４）Ｉｃ三极管集电极电流单位：ｍＡ（毫安）。 （５）ＶＣＥ三极管集电极基极饱和电压单位：ｖ（伏特）。 （６）ｔｏｎ脉冲接通时间单位： （微秒）。 （７）ｔｏｆｆ脉冲关闭时间单位： ｓ（微秒）。 （８）ｔｒ脉冲上升时间单位： ｓ（微秒）。 （９）ｔｆ脉冲下降时间单位： ｓ（微秒）。 墓 （５）响应速度快。光电耦合的时间常数通常在毫秒甚至微秒级。 ３．总结 （下转第２３３页） ８２ ◇科技之窗◇ 科技嚣向导 ２０１５年０２期 纳米技术的应用与前景展望 苗瑞丹 （沈阳师范大学化学与生命科学学院【摘辽宁沈阳１１００００） ５１纳米技术是二十一世纪最具潜力的学科分支，有可能成为下一世纪前二十年的主导技术。本文概述了纳米技术在陶瓷、电器、医 学等方面的应用，并对纳米技术的发展进行了展望。 【关键词】纳米技术；应用；发展前景 美国某一技术公司仅成立８年．正在生产纳米晶体粉并进行Ｔ业 纳米级材料有较高的化学活性，分子组成比较均匀一致 并且更 纳米技术是上世纪末出现的高技术 有科学家预言 在２ｌ世纪纳 应用，量子效应明显 该公司的目的是能 米材料将是“最有前途的材料” 纳米技术甚至会超过计算机和基因学。 易加工 因为材料近于分子级水平。成为“决定性技术”．１９９０年 第一届国际纳米科学技术会议在美国巴 供应大量纳米材料’ｆ吏研究Ｔ作能进行下一阶段的元件制造 纳米技 将精密制造技术扩展 尔的摩召开，《纳米技术》与《纳米生物学》这两种同际性专业期刊也相 术产业要通过纳米级粉末和薄膜的制造和应用，继问世．从此一个崭新的科学技术领域一纳米科技开始得到科技界的 到其它产业中去 一些纳米材料研究开发单位和人员还重视在催化 剂、传感器和磨料方面应用纳米级材料，使它们能进一步小型化和更 广泛关注。Ｉｌｌ 为有效。１５１ １．纳米技术 ２．３应用与展望 １．１纳米技术的发展现状 如前所述，纳米技术的应用除了传统的应用外 还应用于医药和信 二十世纪９Ｏ年代以后、纳米技术飞速发展 自首届国际纳米科学 Ｏ．弓Ｉ言 多媒体技术的发展和应用，特别是局域 技术会议召开以后。世界各国的纳米技术研究风起云涌．各种形式的研 息传输 随着信息时代的到来，光纤接入网的大力发展和扩容联网，及光纤到户的实现．纳米技术 究机构像雨后春笋遍布世界各地，纳米技术研究所涉及的科学领域及 网．需要解决的技术课题也会不断 应用范同在不断扩大．各个领域都取得了可喜的进展．纳米技术研究获 在信息传输中的应用范围会越来越广．得了空前的快速发展。纳米材料是纳米技术的重要组成部分．在纳米 增加 国外在这一领域已取得了巨大成果 我国也应该积极开展这一 逐步展开，技术推 材料领域，人们研究出了纳米金属、合金、陶瓷和有机高分子等复合型 领域的研究和推广应用工作 首先人材料研究人手，广应用 结合我国情况开展应用技术研究 吸收石英光纤研究的教训， 材料并在实际中应用．取得了明显的效果。１２１ 重视纳米材料的制造技术的研究。使我国的光通信技术。跟上世界科技 １．２发展纳米技术的重要性 迎接信息时代的到来。１６ １纳米技术的研究开发可能在精密机械工程、材料科学、微电子技 的发展水平。３．未来展望 术、计算机技术、光学、化Ｔ、生物和生命技术以及生态农业等方面产 纳米技术作为一门新兴的多学科交叉科学，它的发展将会带动许 生新的突破 世界各国都给予极大的重视。美国国家关键技术委员会 将纳米技术列为政府重点支持的２２项关键技术之一，制定了投资２ 多相关学科的发展 纳米材料科学是纳米技术的重要组成部分 是原 胶体化学、化学反应动力和表面、界面 亿美元进行大规模开发纳米技术的ｌ０年计划 英国成立了纳米技术 子物理、凝聚态物理、同体化学、纳米材料研究的 战略委员会周家纳米技术计划已开始实施 科学家们认为 纳米技术 科学等多相关学科交叉汇合而出现的新学科生长点，的深远意义可与１８世纪的工业革命相媲美。它的重要性非常大．表现 进展势必把许多学科推向一个新层次 根据对世界各国在纳米技术方面领先程度的等级分析 目前 我国 在技术和科学方面．主要有以下几点： （１）纳米技术是一项交叉领域学科．对它的基础研究和应用研究 在纳米技术的研究和应用与美国、日本等发达国家还有较大的差距，还存在严重的财力不足及质量问题 我国的纳米技术发展应该根据国 是能否拥有国际竞争力的先决条件 有所赶超，有所不超，集中有限的财力，重点突破。首先应把微型机电 （２）由于它的交叉学科性能，决定了它不仅应用于一种技术领域， 情，系统（ＭＥＭＳ）作为发展的重点 其优先发展领域为国防领域与生物领 它为许多学科的发展奠定基础并起到推动的作用 发展纳米技术基础研究应重点开展纳米材料、纳米加Ｔ、纳 （３）实践证明，为了在经济方面取得相对的成功，必须在纳米技术 域。其次，米测量与控制技术与设备的研究。同时亦应重视开展纳米尺度上的新 的研究和开发方面制定长期的发展计划 ｌ引 物质现象、新效应的科学理论研究．并加强开发研究基地的建设和科 ２．纳米技术的发展 Ｊ■‰ ２．１纳米技术促进配套技术的发展 技与产业人才的培养，以加快我国纳米技术的研究和应用。Ｉ ● 电子元件越来越小。对其它电子部件也提出了新的要求 例如电 【参考文献】 线 电线传输信息。在纳米级基础上进行线路加ｌＴ是纳米技术的基础 王平．纳米材料和纳米技术的应用研究，自然科学报，２００６，Ｉ１． 和关键。现已制出宽度为２Ｏ纳米的线今后可能用此法制出４纳米或 ｆ１］赵丽娜．刘渝，张改莲．纳米材料与纳米技术的应用，化学教育，２００１（０３） 低于４纳米的线 此项发明可能在半导体元件上获得多种应用。也可 ｆ２１杨芸，能用此技术突破磁性储存的极限 『３］赵青梅．纳米技术的发展与应用，内蒙古石油化工（第３Ｏ卷）． 『４］马玉宝．纳米技术的发展与展望．胜利油田职工大学学报，２００３，９（第ｌ７卷）ｃ０３）． 另一种非金属线是用Ｃ—Ｃ共轭键联结分子制成，研究工作者对这 ｆ５１汪一佛．纳米技术的进展． 些分子制成的线的性能进行了测定和研究．下一步将设计先进构型分 『６］佟鹏，高建强，王兵树，曹文亮．纳米技术的研究与应用，能源研究与信息，２００２ 子，制造分子级电子元件，使之具有晶体管和开关器的性能 这些材料 ｆ第１８卷）（【】３）． 虽已合成出来．但实际应用尚有许多问题 『７］张莉芹，袁泽喜．纳米技术和纳米材料的发展及其应用，武汉科技大学学报， ２．２纳米技术要在应用中求得发展 ２００３．９ｆ第２６卷）（Ｏ３）． （上接第８２页）光电耦合凭借自身独特的结构特点将电气通过光 电转换来隔离开来，可以有效的成为通信模块独有的高效防雷、防电涌 【参考文献】 手段。在使用光电耦合器作为电隔离的方式时，需要根据实际通信速率 ［１］王庆有．光电技术．电子工业出版社． 和使用环境的要求来对应地选择符合要求的光电耦合器型号。 ［￣］ＭＯＴＯＲＯＬＡ，６一Ｐｉｎ ＤＩＰ Ｏｐｔｏｉｓｏｌａｔｏｒｓ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｏｕｔｐｕｔ．
