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(huì)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(jì)算機(jī)專業(yè)、電子專業(yè)，電工專業(yè)、自動(dòng)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(duì)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(duì)此我在本學(xué)科教學(xué)方法上進(jìn)行了以下幾個(gè)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(shí)應(yīng)針對(duì)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(shí)，一般均參照紅外發(fā)光二極管的檢測方法進(jìn)行。對(duì)于光敏三極管輸出型的光電耦合器，檢測輸出端時(shí)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?qǐng)D1（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(gè)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(shí)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?qǐng)D1（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(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)萬用表指針始終不擺動(dòng)，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(hào)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(duì)應(yīng)的光敏三極管的管腳。對(duì)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(hào)光電耦合器對(duì)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(jì)制作了一個(gè)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(gè)相應(yīng)插孔內(nèi)時(shí)，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(shí)，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(gè)管腳插孔可用0.4mm～0.6mm的裸銅絲，在一枚2號(hào)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(hào)干電池串聯(lián)（6V）而成，如用4F20-6V型疊層干電池會(huì)更方便。整個(gè)電路可焊裝在一個(gè)體積合適的塑料小盒內(nèi)，面板開孔伸出兩個(gè)發(fā)光二極管的管帽和4個(gè)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(hào)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(dòng)切斷。
3、使用常識(shí)：
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(shí)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(gè)“背對(duì)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(dòng)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(shí)，只能以它的型號(hào)為根據(jù)。另外，光電耦合器直接用于隔離傳輸模擬量時(shí)，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(shí)，要考慮它的響應(yīng)速度問題。如果對(duì)輸出有功率要求，還得考慮功率接口設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)時(shí)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(shí)出現(xiàn)寄生振蕩，對(duì)圖像畫面等產(chǎn)生干擾，同時(shí)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(shí)，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(hào)(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(gè)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(shí)，必須對(duì)所有的信號(hào)（包括數(shù)位量信號(hào)、控制量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)）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(jì)在封裝的某一邊上的，而輸出端引腳則是封裝在相對(duì)的另外一邊上的。這種結(jié)構(gòu)可保證前后級(jí)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(duì)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)間加快。 
7、在業(yè)余電子制作或家電維修時(shí)，如果手頭一時(shí)找不到合適的光電耦合器，可參照?qǐng)D3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(duì)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(shí)，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(huì)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(duì)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(hào)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(gè)數(shù)和移動(dòng)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(duì)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(shí)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(jì)能力提高、系統(tǒng)知識(shí)增強(qiáng)、課程知識(shí)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(shí)，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(dòng)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。

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