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中职学生在电工电子实验一中光电耦合器使用技巧

概述:职业技术学校在我国现代化建设进程中扮演了重要角色 ,为国家输送大量的实用型人才做出了不可磨灭的贡献。随着我国工业化进程的加速 ,人才需求尤其是实用型人才需求尤为迫切 ,加入WTO后 ,全球一体化进程加快 ,人才资源短缺 ,人才结构不合理的矛盾日益突出。据调查显示 ,前往人才市场应聘的学生很多 ,但企业需要招聘具有丰富实践经验一的技工和技师很难。如:单片机、PLC、数控车床等应用型人才。社会需要人才 ,企业发展离不开实用型人才的技术支撑。职业学校在培养实用型人才方面有很大优势。电工电子课是计算机专业、电子专业 ,电工专业、自动化控制、汽车等专业的基础技能学科 ,它的教学要根据人才培养的需求不断地改进与创新。
学校教学对象决定了电工电子技术课的教学方式 ,招收的生源主要是具有初中同等学历的学生 ,他们中间的数、理、化成绩参差不齐 ,这样给职校的电工电子技术专业课教学带来了一定难度 ,这就要求我们的职校教学模式与之相适应。对此我在本学科教学方法上  进行了以下几个方面的探讨:
一、简易测试方法
    由于光电耦合器的组成方式不尽相同 ,所以在检测时应针对不同的结构特点 ,采取不同的检测方法。例如 ,在检测普通光电耦合器的输入端时 ,一般均参照红外发光二极管的检测方法进行。对于光敏三极管输出型的光电耦合器 ,检测输出端时应参照光敏三极管的检测方法进行。
二、万用表检测法:
    这里以MF50型指针式万用表和4脚PC817型光电耦合器为例 ,说明具体检测方法:首先 ,按照图1(a)所示 ,将指针式万用表置于“R×100”(或“R×1k”)电阻挡 ,红、黑表笔分别接光电耦合器输入端发光二极管的两个引脚。如果有一次表针指数为无穷大 ,但红、黑表笔互换后有几千至十几千欧姆的电阻值 ,则此时黑表笔所接的引脚即为发光二极管的正极 ,红表笔所接的引脚为发光二极管的负极。
     然后 ,按照图1(b)所示 ,在光电耦合器输入端接入正向电压 ,将指针式万用表仍然置于“R×100”电阻挡 ,红、黑表笔分别接光电耦合器输出端的两个引脚。如果有一次表针指数为无穷大(或电阻值较大) ,但红、黑表笔互换后却有很小的电阻值(<100Ω) ,则此时黑表笔所接的引脚即为内部NPN型光敏三极管的集电极c、红表笔所接的引脚为发射极e。当切断输入端正向电压时 ,光敏三极管应截止 ,万用表指数应为无穷大。这样 ,不仅确定了4脚光电耦合器PC817的引脚排列 ,而且还检测出它的光传输特性正常。如果检测时万用表指针始终不摆动 ,则说明光电耦合器。

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光电耦合器的检测 图1 
    需要说明的是:光电耦合器中常用红外发光二极管的正向导通电压较普通发光二极管要低 ,一般在1.3V以下 ,所以可以用指针式万用表的“R×100”电阻挡直接测量 ,并且图1(b)中的电池G电压取1.5V(用1节5号电池)即可。还可用图1(a)所示的万用表接线直接取代图1(b)所示的输入端所接正向电压(即电阻器R和电池G) ,使测量更方便 ,只不过需要增加一块万用表。
    至于多通道光电耦合器的检测 ,应首先将所有发光二极管的管脚判别出来 ,然后再确定对应的光敏三极管的管脚。对于在线路的光电耦合器 ,最好的检测方法是“比较法” ,即拆下怀疑有问题的光电耦合器 ,用万用表测量其内部二极管、三极管的正向和反向电阻值 ,并与好的同型号光电耦合器对应脚的测量值进行比较 ,若阻值相差较大 ,则说明被测光电耦合器已损坏。
三、鉴别器检测法:
    笔者多年前曾根据光电耦合器的原理 ,设计制作了一个能够快速判断光电耦合器好坏的小巧鉴别器 ,其电路如图2所示。当将光电耦合器的输入、输出引脚分清极性后正确插入鉴别器的4个相应插孔内时 ,如果发光二极管VD1、VD2同步闪烁发光 ,则证明光电耦合器完好。如果VD1不闪烁发光 ,则说明光电耦合器内部发光管已开路;如果VD1闪烁发光 ,但VD2不亮或恒定发光 ,说明光电耦合器内部不是发光管失效就是光敏晶体管已开路或击穿损坏。
光电耦合器鉴别器电路图 图2

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自制光电耦合器 图3 
    制作时 ,VD1用红色闪烁发光二极管 ,VD2用绿色普通发光二极管。R用RTX-1/8W型碳膜电阻器。4个管脚插孔可用0.4mm~0.6mm的裸铜丝 ,在一枚2号大头针上  密绕十几圈 ,并在尾端留出长度大于3cm的焊接引线(应套上  绝缘管) ,然后脱胎而成。G用4节5号干电池串联(6V)而成 ,如用4F20-6V型叠层干电池会更方便。整个电路可焊装在一个体积合适的塑料小盒内 ,面板开孔伸出两个发光二极管的管帽和4个插孔。注意:输入和输出插孔的间距不要超过1cm ,各插孔伸出的引线长度不要小于2cm ,便于灵活互换位置 ,以适应不同型号和引脚排列的光电耦合器检测。本装置不设电源开关 ,用毕拔掉光电耦合器 ,电源即被自动切断。
3、使用常识:
1.光电耦合器的品种和类型繁多 ,在实际电工电子应用时要根据不同的电路选择不同类型的光电耦合器。例如 ,输入部分有两个“背对背”发光二极管的光电耦合器 ,适合应用于交流输入的场合;采用达林顿输出结构的光电耦合器 ,适合应用于输出较大电流的场合;输出由光触发双向晶闸管组成的光电耦合器 ,适合用来驱动交流负载。
2、光电耦合器的封装形式与内部结构、电路功能完全是两回事。外形相同的光电耦合器 ,功能可能完全不同;功能相同的电路也可以用不同的封装。所以选用或代换光电耦合器时 ,只能以它的型号为根据。另外 ,光电耦合器直接用于隔离传输模拟量时 ,必须要考虑它的输出端非线性问题。用于隔离传输数字量时 ,要考虑它的响应速度问题。如果对输出有功率要求 ,还得考虑功率接口设计问题。
3、光电耦合器就输出特性而言 ,有非线性(数字型)光电耦合器和线性(模拟型)光电耦合器两种。非线性光电耦合器的电流传输特性曲线是非线性的 ,这类产品适合于开关信号的传输 ,不适合于传输模拟量。线性光电耦合器的电流传输特性曲线接近直线 ,并且小信号时性能较好 ,能以线性特性进行隔离控制。彩电、显示器等的开关电源中常用的光电耦合器为线性产品 ,如果换成非线性产品 ,就有可能使振荡波形变坏 ,严重时出现寄生振荡 ,对图像画面等产生干扰 ,同时使电源带负载能力下降。因 此 ,在维修家电产品的开关电源时 ,如果发现光电耦合器损坏 ,一定记着要用线性光电耦合器去代换。常用的4脚线性光电耦合器有PC817A~C、PC111、TLP521等 ,6脚线性光电耦合器有LP632、TLP532、PC614、PC714、PS2031等。电子爱好者非常熟悉的4N××系列(如4N25、4N26、4N35、4N36等)光电耦合器 ,主要用于传输数字信号(高、低电平) ,属于非线性光电耦合器 ,其线性度差 ,是不适合用于开关电源中的。
4、光电耦合器“隔离”作用的建立需要满足一定的外部条件:首先 ,在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源 ,若两端共用一个电源 ,则光电耦合器的隔离作用将失去意义;其次 ,当用光电耦合器来隔离输入、输出通道时 ,必须对所有的信号(包括数位量信号、控制量信号、状态信号)全部隔离 ,使得被隔离的两边没有任何电气上  的联系 ,否则这种隔离也是没有意义的。 
 5、光电耦合器的输入端引脚都是设计在封装的某一边上  的 ,而输出端引脚则是封装在相对的另外一边上  的。这种结构可保证前后级间绝缘电阻高达109~1013欧姆 ,并有利于增加隔离电压的最大可能值 ,方便电路的安装。但在多通道光电耦合器中 ,尽管各输入端与输出端之间的隔离电压值较高(一般≥1.5kV) ,但是在相邻通道之间所出现的电位差却绝对不允许超过500V。另外 ,光电耦合器的输入端发光源多为红外发光二极管 ,它的反向击穿电压一般都很低 ,有的仅3V ,在使用时必须注意输入端不能接反。为了防止红外发光二极管因 反压过高而击穿 ,可在其输入端反向并联上  一个保护二极管。
6、通常单通道光敏三极管型光电耦合器多是密封在一个引脚的封装之内 ,光敏三极管的基极被引到封装的外面以备使用。在平常使用中 ,基极是开路不用的。若将基极引脚与发射极引脚短接 ,便可将光敏三极管转换成为光敏二极管 ,在这种情况下 ,虽然使光电耦合器的电流传输比下降 ,但却能够使响应时间加快。 
7、在业余电子制作或家电维修时 ,如果手头一时找不到合适的光电耦合器 ,可参照图3所示 ,取一只  3mm高亮度发光二极管和一只2mm的3DU型硅光敏三极管 ,用电工绝缘黑胶布将它们的发光面和受光面正对着卷起来 ,然后装入一段约 6mm×20mm的黑色硬塑管内 ,两端用黑色环氧树脂封固即成。需要指出的是:在选用发光二极管和光敏三极管时 ,必须使两者的光谱特性(尤其是峰值波长)尽量保持一致 ,否则会影响光电耦合器的效果。光敏三极管根据需要也可以选用光敏二极管或光敏电阻器等光敏器件。这种自制光电耦合器成本不足2元 ,其主要特性参数可参考所选用的两只管子的特性。
  8.常见的光电耦合器是把发光器件和光敏器件对置封装在一起 ,属于内光路光电耦合器 ,用它可完成电信号的耦合和传递。前面所介绍的光电耦合器均属于内光路光电耦合器。除此以外 ,还有一类专门用于测量物体的有无、个数和移动距离等的光传感器(也称光电开关或光电断续检测器) ,它分为遮光式(对射型)和反光式(反射型)两种 ,其实物外形和结构如图4所示。由于这类光传感器也具有光耦合特点 ,并且它的光路在器件外面 ,所以将这类器件统称为外光路光电耦合器。外光路光电耦合器的输入端与输出端多数也采用相互隔离的结构 ,即发光器件和光敏器件相互独立 ,保持电气绝缘。但也有一些产品像图4(b)那样采用非隔离式 ,即发光器件和光敏器件为共地。外光路光电耦合器的缺点是容易受到外界光线的干扰 ,尤其是在较强的环境光线下使用 ,其检测功能可能丧失。    
 9.焊接普通光电耦合器一般用20W左右的小功率电烙铁 ,烙铁头最好锉成窄小斜面 ,以求焊点位置准确。焊接时间不宜过长 ,防止烫坏器件本身或线路板。
开展电工电子实验一 ,不但使学生的电路设计能力提高、系统知识增强、课程知识掌握得更好 ,学生通过与理论课同步的软件仿真实验一 ,搞清楚了电路的工作原理、波形关系、参数条件、调试方法和可能出现的各种问题等。再做硬件实验一时 ,其思路、方法和电路分析调试能力都大有提高。因 此 ,为适应科学素质教育的要求 ,选择符合本学科教学原则、教学目的、教学内容、学生特点以及教学条件的教学方法 ,融入新的思想和理念。这样激发了学生的学习兴趣、掌握科学的学习方法 ,调动了学生的创新积极性、激发他们的创新潜能。培养学生的独立思考能力 ,提高了教学效果。

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