光耦元器件在设备模块中的应用

光耦元器件在设备模块中的应用

杨梦菲

东北空管局

摘 要详述光耦元器件的工作原理，并举例其在SELEX、THALES二次雷达电源模块中的应用，并说明其在板件维修中查找故障点的作用。

关键词  光耦 工作原理 电路结构 元件功能 故障判断

1概述

光电耦合器（opticalcoupler equipment，英文缩写为OCEP）也称为光电隔离器或光电耦合器，简称光耦，是以光为媒介传输电信号的一种电-光-电转换器件。目前光耦合器已成为半导体领域的成熟器件，被广泛应用到各个领域，如电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、仪器仪表、通信设备中。

2光耦工作原理与作用

图1 光耦结构图

光耦器件通常由发光源和受光器两部分组成，有的型号的光耦还包含信号放大部分。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。工作时在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，当光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电-光-电的转换。

因为在输入端与输出端之间没有电气/物理连接，从而起到输入、输出隔离的作用，信号以光的形式传输，避免输入、输出之间发生互相干扰的情况，具有良好的抗干扰效果。当光耦的输入端遇强电压、电流冲击而损坏时，由于光耦的隔离作用，可以保护输出端免受损坏，提高设备整体的安全性。正是因为光耦良好的隔离效果才使得它广泛应用于各种电路中。

3光耦在SELEXSIR-S二次雷达电源中的应用

SELEX SIR-S二次雷达各个电源模块采用的光耦器件型号为4N33，其资料页及内部结构图如下两图所示：

图2 4N33光耦资料页

图3 4N33光耦内部结构图

如下图4所示，SIR-S二次雷达中每路输出中分别有两个4N33光耦元件，其作用分别是开关电源反馈网络和电源工作状态监控。用于开关电源反馈网络的光耦，其输入端加载的是取自开关电源输出端的信号，通过光耦隔离反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。

由4N33光耦器件内部结构图（图3）我们可知，该原件由发光源、受光器及信号放大三部分组成，1、2脚为其输入端，4、5脚为其输出端；两个三极管的作用分别为受光及信号放大。当输入端的电流越大时，发光二极管的光强越强，三极管的集电极电流即输出电流也越大。输出端三极管电流Ic与输入端二极管电流If的比值称为光耦的电流放大系数，用作反馈的光耦，需使用该系数随温度变化不大的，且作反馈用的光耦正是利用“输入端电流变化将导致输出端电流变化”来实现反馈的。4N33光耦的温度及输入输出特性曲线如下图5所示，符合上文论述的用作反馈电路光耦的要求。

4N33光耦输出端将反馈信号送入电源控制电路（PWM电路），进而使开关电源输出电压准确稳定。反馈环路是影响开关电源稳定性的重要电路，如反馈电路中光耦损坏、漏、虚焊等，会产生自激振荡，故障现象为：波形异常，空、满载振荡，输出电压不稳定等。

电源电路板另一个4N33光耦的作用是作为固体继电器使用，当电路板收到电源模块控制板关闭、重启等指令的时候，通过光耦元件来实现对电路板的控制。光耦元件作为固体继电器使用时，也是主要因为其隔离性质，其作为继电器使用时具有体积小、耦合紧密、驱动功率小、动作速度快、工作温度范围宽等优点。在实际使用中，由于它不具有电磁继电器的共同实际接触点，因而不存在接触不良及机械开关故障等现象，也不会因为外力或者机械冲击而误动作。因此，以光耦作为固体继电器，其性能相当可靠、工作非常稳定。

图4 SIR-S接收机电源电路板

图5 光耦4N33特性曲线

4光耦在THALES二次雷达TRC电源中的应用

THALES二次雷达TRC电源组件利用其内部的监控电路（监控电路如图6所示）实现对电源模块各输出电压、风扇工作状态、内部温度等工作参数进行监控（监控电路细节如图7所示），监控电路利用光耦合器的隔离作用对整个电源模块进行控制。由于该电路只是起到实现监控功能，即当参数不符合要求时关闭电路或给出告警的作用，所以选用光耦器件时并不要求其输出端参数与上例中一样严格地随着输入参数做线性变化，只要求其在输入参数不符合要求时输出端电流产生跃变（如图7所示），给次级电路一个跃变信号来控制次级电路关闭电源模块或给出告警。

图6 TRC电源监控电路

图7 TRC电源监控电路细节

图8 光耦A817特性曲线

5总结

光耦器件是各类型设备模块中常见的基本元器件，在自主维修时我们可以其为中心进行故障的定位。经判断其损坏时，可以根据本文所述判断其在电路中的功能，进而筛选其替代型号进行更换；如果光耦没有损坏的情况下，可以以其为中心通过引接外部输入信号的方式，进行具体的故障定位。