学子专区—ADALM2000实验：光耦合器

目标

在本次实验中，将使用红外LED和NPN光电晶体管构建光耦合器。还将研究基于光耦合器的模拟隔离放大器和使用集成光耦合器的浮动电流源的工作原理。

NPN型晶体管光耦合器

背景知识

光耦合器或光隔离器是一种电子器件，通过发射光穿过其输入和输出之间的电气隔离栅来传输电子信号。光耦合器的主要目的是防止隔离栅一侧的高电压或电压尖峰损坏组件或干扰传输到另一侧的信号。市售光耦合器可以承受3 kV至10 kV的输入-输出电压，以及速度高达10 kV/µs的电压瞬变。该器件一般在一端集成红外LED作为输入，在另一端集成光电探测器（例如光电二极管或光电晶体管），并在两者之间加设隔离栅，如图1所示。当LED关闭时，也就是不发光时，没有光电流进入晶体管基极，晶体管关闭。当LED中有电流流过时，就会发光，会有足够的光电流进入晶体管基极，晶体管开启。

图1.NPN型晶体管光耦合器。

构建指南

本实验的第一步是使用ADALP2000模拟部件套件中的红外LED和NPN光电晶体管构建自己的光耦合器。如果您不使用部件套件来进行实验，可以使用相似器件来代替，但实验结果会因选择的器件而异。

图2.QED123红外LED。

图3.QSD123红外晶体管。

首先，将LED和光电晶体管的引线弯曲90°，这样插入无焊试验板时，它们彼此相对且处于同一高度。为了保证它们正确对齐，并阻止杂散环境光进入，最好使用短管或切割到合适宽度的黑色绝缘胶带，缠绕LED和光电晶体管组合体，如图4所示。

图4.构建好的耦合器。

材料

ADALM2000主动学习模块
无焊试验板
跳线
两个2.2 kΩ电阻
一个单通道运算放大器，例如OP27

说明

在无焊试验板上构建图5所示的电路。注意，NPN光电晶体管配置为电流吸收器，其发射极接地。注意，光电晶体管的两根引线中，较长的是集电极，两根LED引线中较短的一根接地。仔细查看组件数据手册，确保连接正确。

图5.光耦合器输入-输出特性电路。

硬件设置

配置波形发生器生成100 Hz三角波，峰峰值幅度为3 V，偏移为2.5 V。两个示波器通道均应设置为每格1 V。

程序步骤

示波器通道1用于测量电阻R1两端的电压，从而测得LED的输入电流。示波器通道2用于测量电阻R2两端的电压，从而测得NPN型晶体管的输出集电极电流。电流传输比(CTR)就是这两个电流的比值。CTR用于衡量器件的增益、效率或灵敏度。

图7.光耦合器Scopy图波形。

说明

现在，将示波器通道1的1–输入移动到接地。然后，将示波器通道2的2+输入移动到光电晶体管的集电极，将示波器输入2–移动到接地。

配置波形发生器生成5 kHz方波，峰峰值幅度为5 V，偏移为2.5 V。两个示波器通道均应设置为每格1 V。

程序步骤

示波器通道1现在测量输入信号，示波器通道2测量输出信号。光耦合器的速度可以通过输入和输出波形之间的延迟进行表征。衡量器件速度的另一个指标是输出波形的上升和下降时间。测试光耦合器的频率响应还有一种方法：使用Scopy软件中的网络分析仪。将频率扫描范围设置为10 Hz至100 kHz。将AWG峰峰值幅度设置为2 V，AWG偏移设置为3 V，或者直流偏移作为耦合器电路的输出信号中心时的电压。

图6.光耦合器试验板连接。