中職學(xué)生在電工電子實(shí)驗(yàn)中光電耦合器使用技巧

概述：職業(yè)技術(shù)學(xué)校在我國現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程中扮演了重要角色，為國家輸送大量的實(shí)用型人才做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加速，人才需求尤其是實(shí)用型人才需求尤為迫切，加入WTO后，全球一體化進(jìn)程加快，人才資源短缺，人才結(jié)構(gòu)不合理的矛盾日益突出。據(jù)調(diào)查顯示，前往人才市場應(yīng)聘的學(xué)生很多，但企業(yè)需要招聘具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的技工和技師很難。如：單片機(jī)、PLC、數(shù)控車床等應(yīng)用型人才。社會需要人才，企業(yè)發(fā)展離不開實(shí)用型人才的技術(shù)支撐。職業(yè)學(xué)校在培養(yǎng)實(shí)用型人才方面有很大優(yōu)勢。電工電子課是計算機(jī)專業(yè)、電子專業(yè)，電工專業(yè)、自動化控制、汽車等專業(yè)的基礎(chǔ)技能學(xué)科，它的教學(xué)要根據(jù)人才培養(yǎng)的需求不斷地改進(jìn)與創(chuàng)新。
學(xué)校教學(xué)對象決定了電工電子技術(shù)課的教學(xué)方式，招收的生源主要是具有初中同等學(xué)歷的學(xué)生，他們中間的數(shù)、理、化成績參差不齊，這樣給職校的電工電子技術(shù)專業(yè)課教學(xué)帶來了一定難度，這就要求我們的職校教學(xué)模式與之相適應(yīng)。對此我在本學(xué)科教學(xué)方法上進(jìn)行了以下幾個方面的探討：
一、簡易測試方法：
    由于光電耦合器的組成方式不盡相同，所以在檢測時應(yīng)針對不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采取不同的檢測方法。例如，在檢測普通光電耦合器的輸入端時，一般均參照紅外發(fā)光二極管的檢測方法進(jìn)行。對于光敏三極管輸出型的光電耦合器，檢測輸出端時應(yīng)參照光敏三極管的檢測方法進(jìn)行。
二、萬用表檢測法：
    這里以MF50型指針式萬用表和4腳PC817型光電耦合器為例，說明具體檢測方法：首先，按照圖1（a）所示，將指針式萬用表置于“R×100”（或“R×1k”）電阻擋，紅、黑表筆分別接光電耦合器輸入端發(fā)光二極管的兩個引腳。如果有一次表針指數(shù)為無窮大，但紅、黑表筆互換后有幾千至十幾千歐姆的電阻值，則此時黑表筆所接的引腳即為發(fā)光二極管的正極，紅表筆所接的引腳為發(fā)光二極管的負(fù)極。
     然后，按照圖1（b）所示，在光電耦合器輸入端接入正向電壓，將指針式萬用表仍然置于“R×100”電阻擋，紅、黑表筆分別接光電耦合器輸出端的兩個引腳。如果有一次表針指數(shù)為無窮大（或電阻值較大），但紅、黑表筆互換后卻有很小的電阻值（＜100Ω），則此時黑表筆所接的引腳即為內(nèi)部NPN型光敏三極管的集電極c、紅表筆所接的引腳為發(fā)射極e。當(dāng)切斷輸入端正向電壓時，光敏三極管應(yīng)截止，萬用表指數(shù)應(yīng)為無窮大。這樣，不僅確定了4腳光電耦合器PC817的引腳排列，而且還檢測出它的光傳輸特性正常。如果檢測時萬用表指針始終不擺動，則說明光電耦合器。


光電耦合器的檢測 圖1 
    需要說明的是：光電耦合器中常用紅外發(fā)光二極管的正向?qū)�通電壓較普通發(fā)光二極管要低，一般在1.3V以下，所以可以用指針式萬用表的“R×100”電阻擋直接測量，并且圖1（b）中的電池G電壓取1.5V（用1節(jié)5號電池）即可。還可用圖1（a）所示的萬用表接線直接取代圖1（b）所示的輸入端所接正向電壓（即電阻器R和電池G），使測量更方便，只不過需要增加一塊萬用表。
    至于多通道光電耦合器的檢測，應(yīng)首先將所有發(fā)光二極管的管腳判別出來，然后再確定對應(yīng)的光敏三極管的管腳。對于在線路的光電耦合器，最好的檢測方法是“比較法”，即拆下懷疑有問題的光電耦合器，用萬用表測量其內(nèi)部二極管、三極管的正向和反向電阻值，并與好的同型號光電耦合器對應(yīng)腳的測量值進(jìn)行比較，若阻值相差較大，則說明被測光電耦合器已損壞。
三、鑒別器檢測法：
    筆者多年前曾根據(jù)光電耦合器的原理，設(shè)計制作了一個能夠快速判斷光電耦合器好壞的小巧鑒別器，其電路如圖2所示。當(dāng)將光電耦合器的輸入、輸出引腳分清極性后正確插入鑒別器的4個相應(yīng)插孔內(nèi)時，如果發(fā)光二極管VD1、VD2同步閃爍發(fā)光，則證明光電耦合器完好。如果VD1不閃爍發(fā)光，則說明光電耦合器內(nèi)部發(fā)光管已開路；如果VD1閃爍發(fā)光，但VD2不亮或恒定發(fā)光，說明光電耦合器內(nèi)部不是發(fā)光管失效就是光敏晶體管已開路或擊穿損壞。
光電耦合器鑒別器電路圖 圖2


自制光電耦合器 圖3 
    制作時，VD1用紅色閃爍發(fā)光二極管，VD2用綠色普通發(fā)光二極管。R用RTX-1/8W型碳膜電阻器。4個管腳插孔可用0.4mm～0.6mm的裸銅絲，在一枚2號大頭針上密繞十幾圈，并在尾端留出長度大于3cm的焊接引線（應(yīng)套上絕緣管），然后脫胎而成。G用4節(jié)5號干電池串聯(lián)（6V）而成，如用4F20-6V型疊層干電池會更方便。整個電路可焊裝在一個體積合適的塑料小盒內(nèi)，面板開孔伸出兩個發(fā)光二極管的管帽和4個插孔。注意：輸入和輸出插孔的間距不要超過1cm，各插孔伸出的引線長度不要小于2cm，便于靈活互換位置，以適應(yīng)不同型號和引腳排列的光電耦合器檢測。本裝置不設(shè)電源開關(guān)，用畢拔掉光電耦合器，電源即被自動切斷。
3、使用常識：
1.光電耦合器的品種和類型繁多，在實(shí)際電工電子應(yīng)用時要根據(jù)不同的電路選擇不同類型的光電耦合器。例如，輸入部分有兩個“背對背”發(fā)光二極管的光電耦合器，適合應(yīng)用于交流輸入的場合；采用達(dá)林頓輸出結(jié)構(gòu)的光電耦合器，適合應(yīng)用于輸出較大電流的場合；輸出由光觸發(fā)雙向晶閘管組成的光電耦合器，適合用來驅(qū)動交流負(fù)載。
2、光電耦合器的封裝形式與內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電路功能完全是兩回事。外形相同的光電耦合器，功能可能完全不同；功能相同的電路也可以用不同的封裝。所以選用或代換光電耦合器時，只能以它的型號為根據(jù)。另外，光電耦合器直接用于隔離傳輸模擬量時，必須要考慮它的輸出端非線性問題。用于隔離傳輸數(shù)字量時，要考慮它的響應(yīng)速度問題。如果對輸出有功率要求，還得考慮功率接口設(shè)計問題。
3、光電耦合器就輸出特性而言，有非線性（數(shù)字型）光電耦合器和線性（模擬型）光電耦合器兩種。非線性光電耦合器的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類產(chǎn)品適合于開關(guān)信號的傳輸，不適合于傳輸模擬量。線性光電耦合器的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號時性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制。彩電、顯示器等的開關(guān)電源中常用的光電耦合器為線性產(chǎn)品，如果換成非線性產(chǎn)品，就有可能使振蕩波形變壞，嚴(yán)重時出現(xiàn)寄生振蕩，對圖像畫面等產(chǎn)生干擾，同時使電源帶負(fù)載能力下降。因此，在維修家電產(chǎn)品的開關(guān)電源時，如果發(fā)現(xiàn)光電耦合器損壞，一定記著要用線性光電耦合器去代換。常用的4腳線性光電耦合器有PC817A～C、PC111、TLP521等，6腳線性光電耦合器有LP632、TLP532、PC614、PC714、PS2031等。電子愛好者非常熟悉的4N××系列（如4N25、4N26、4N35、4N36等）光電耦合器，主要用于傳輸數(shù)字信號(高、低電平)，屬于非線性光電耦合器，其線性度差，是不適合用于開關(guān)電源中的。
4、光電耦合器“隔離”作用的建立需要滿足一定的外部條件：首先，在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)立的電源，若兩端共用一個電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義；其次，當(dāng)用光電耦合器來隔離輸入、輸出通道時，必須對所有的信號（包括數(shù)位量信號、控制量信號、狀態(tài)信號）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離也是沒有意義的。 
 5、光電耦合器的輸入端引腳都是設(shè)計在封裝的某一邊上的，而輸出端引腳則是封裝在相對的另外一邊上的。這種結(jié)構(gòu)可保證前后級間絕緣電阻高達(dá)109～1013歐姆，并有利于增加隔離電壓的最大可能值，方便電路的安裝。但在多通道光電耦合器中，盡管各輸入端與輸出端之間的隔離電壓值較高（一般≥1.5kV），但是在相鄰?fù)ǖ乐�間所出現(xiàn)的電位差卻絕對不允許超過500V。另外，光電耦合器的輸入端發(fā)光源多為紅外發(fā)光二極管，它的反向擊穿電壓一般都很低，有的僅3V，在使用時必須注意輸入端不能接反。為了防止紅外發(fā)光二極管因反壓過高而擊穿，可在其輸入端反向并聯(lián)上一個保護(hù)二極管。
6、通常單通道光敏三極管型光電耦合器多是密封在一個引腳的封裝之內(nèi)，光敏三極管的基極被引到封裝的外面以備使用。在平常使用中，基極是開路不用的。若將基極引腳與發(fā)射極引腳短接，便可將光敏三極管轉(zhuǎn)換成為光敏二極管，在這種情況下，雖然使光電耦合器的電流傳輸比下降，但卻能夠使響應(yīng)時間加快。 
7、在業(yè)余電子制作或家電維修時，如果手頭一時找不到合適的光電耦合器，可參照圖3所示，取一只  3mm高亮度發(fā)光二極管和一只2mm的3DU型硅光敏三極管，用電工絕緣黑膠布將它們的發(fā)光面和受光面正對著卷起來，然后裝入一段約 6mm×20mm的黑色硬塑管內(nèi)，兩端用黑色環(huán)氧樹脂封固即成。需要指出的是：在選用發(fā)光二極管和光敏三極管時，必須使兩者的光譜特性（尤其是峰值波長）盡量保持一致，否則會影響光電耦合器的效果。光敏三極管根據(jù)需要也可以選用光敏二極管或光敏電阻器等光敏器件。這種自制光電耦合器成本不足2元，其主要特性參數(shù)可參考所選用的兩只管子的特性。
  8.常見的光電耦合器是把發(fā)光器件和光敏器件對置封裝在一起，屬于內(nèi)光路光電耦合器，用它可完成電信號的耦合和傳遞。前面所介紹的光電耦合器均屬于內(nèi)光路光電耦合器。除此以外，還有一類專門用于測量物體的有無、個數(shù)和移動距離等的光傳感器（也稱光電開關(guān)或光電斷續(xù)檢測器），它分為遮光式（對射型）和反光式（反射型）兩種，其實(shí)物外形和結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于這類光傳感器也具有光耦合特點(diǎn)，并且它的光路在器件外面，所以將這類器件統(tǒng)稱為外光路光電耦合器。外光路光電耦合器的輸入端與輸出端多數(shù)也采用相互隔離的結(jié)構(gòu)，即發(fā)光器件和光敏器件相互獨(dú)立，保持電氣絕緣。但也有一些產(chǎn)品像圖4（b）那樣采用非隔離式，即發(fā)光器件和光敏器件為共地。外光路光電耦合器的缺點(diǎn)是容易受到外界光線的干擾，尤其是在較強(qiáng)的環(huán)境光線下使用，其檢測功能可能喪失。    
 9.焊接普通光電耦合器一般用20W左右的小功率電烙鐵，烙鐵頭最好銼成窄小斜面，以求焊點(diǎn)位置準(zhǔn)確。焊接時間不宜過長，防止?fàn)C壞器件本身或線路板。
開展電工電子實(shí)驗(yàn)，不但使學(xué)生的電路設(shè)計能力提高、系統(tǒng)知識增強(qiáng)、課程知識掌握得更好，學(xué)生通過與理論課同步的軟件仿真實(shí)驗(yàn)，搞清楚了電路的工作原理、波形關(guān)系、參數(shù)條件、調(diào)試方法和可能出現(xiàn)的各種問題等。再做硬件實(shí)驗(yàn)時，其思路、方法和電路分析調(diào)試能力都大有提高。因此，為適應(yīng)科學(xué)素質(zhì)教育的要求，選擇符合本學(xué)科教學(xué)原則、教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生特點(diǎn)以及教學(xué)條件的教學(xué)方法，融入新的思想和理念。這樣激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，調(diào)動了學(xué)生的創(chuàng)新積極性、激發(fā)他們的創(chuàng)新潛能。培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，提高了教學(xué)效果。