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1、本科毕业设计说明书台灯亮度控制电路设计DESKLAMP BRIGHTNESS CONTROL CIRCUIT DESIGN学院（部）：电气与信息工程学院专业班级： 电子08-3 学生姓名： 孙亚威 指导教师： 邢丽坤副教授 2012 年 5 月 30 日台灯亮度控制电路设计 摘要台灯是人们日常生活的必需品之一，但是经常有人忘记关灯而造成巨大的能源浪费。而且人们往往要在夜晚时摸黑去开灯，非常的不方便。现在的台灯绝大部分是采用普通的白炽灯、荧光灯、节能灯和螺旋节能灯 ,并且控制方式多采用手动开关,不能连续调节，更不能自动调节。本文以热释电红外传感器和BISS0001集成芯片为主设计了一款智能LED
2、台灯。该台灯具有智能开关自动调光等功能，免去手动控制的繁琐，体现了现代家电智能化人性化的设计理念。同时本台灯还具有保护视力的功能。当用户离台灯过近时，台灯会发出警报提醒用户。关键词：智能开关，自动控制，保护视力，BISS0001DESKLAMP BRIGHTNESS CONTROL CIRCUIT DESIGNABSTRACTThe desk lamp is one of the necessities of our daily life. But people often forget to turn off the lights and caused great waste of ener
3、gy. Its very inconvenient to turn on the lights in the dark. Now most of the desk lamp is using filament lamp, fluorescent lamp and energy-saving lamps.And the control mode is often used manual switch.Those desk lamp cant continuous adjustment and cant automatic adjustment,too.This project design a
4、kind of intelligence desk lamp by using heat-releasing infrared sensor and BISS0001.This desk lamp have intelligent switch and it can automatically adjustable light.You neednt control this desk lamp by your hands. This reflects the modern home appliance intelligent and human nature in the design ide
5、a. At the same time the desk lamp also have the function of protect eyesight . When the user stand too close to the desk lamp,it will warn people to leave the desk lamp by rang the alarm.KEYWORDS: smart switch, auto-control, protect eyesight, biss0001目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1方案的提出11.2方案介绍21.2.1方案选择21.2
6、.2 功能与指标31.2.3方案简述32部分元件介绍52.1 7812/7805稳压器52.1.1 LM78系列稳压器结构图52.1.2 LM78系列稳压器介绍52.2热释电红外传感器72.2.1热释电传感器结构72.2.2热释电传感器简介72.2.3热释电传感器RE200B的参数92.3 BISS0001集成芯片102.3.1 BISS0001结构图102.3.2 BISS0001叙述112.3.3 BISS0001管脚说明122.3.4 BISS0001工作原理132.4光电耦合器152.4.1光电耦合器原理图152.4.2光电耦合器常用参数152.4.3光电耦合器选取规则162.4.4光
7、电耦合器应用于开关电路中的工作原理172.4.5使用光电耦合器的注意事项192.5三极管恒流源192.5.1三极管的恒流特性192.5.2三极管射极偏压设计范例203硬件组成223.1电源模块223.1.1电源模块电路图223.1.2电源模块电路分析223.2感应信号处理模块243.2.1感应信号处理模块电路图243.2.2 热释电红外传感器电路分析253.2.3 信号放大电路电路分析263.2.4 延时电路电路分析283.2.5 其他组成部分电路分析293灯光处理模块313.3.1灯光处理模块电路图313.3.2灯光处理模块电路分析314警报模块354.4.1警报模块电路图354.4.2警报
8、模块电路分析35总结37附录A 元器件明细表38附录B 电路图图纸39参考文献40致谢411绪论1.1方案的提出上个世纪60年代，科技工作者利用半导体PN结发光的原理，研制成了LED发光二极管。当时研制的LED所用的材料是GaASP，其发光颜色为红色。经过近30年的发展，如今的LED已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（p=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nm。蓝光LE
9、D基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。LED被认为是21世纪的照明光源。LED是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，可控制好、无辐射，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10，荧光灯的50。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。随着
10、能源紧缺、电价越来越高、环保要求及LED的光效的提高,用LED替代现在台灯普遍使用的白炽灯或荧光灯，环保无污染。另外，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可达8090%，并且传统的台灯中的光源体使用的是交流电，所以每秒钟会产生100120次的频闪。LED灯使用直流电驱动，不会产生闪烁现象，保护眼睛，可以获得“柔和”的灯光环境。另外一个情况是现在我国约30%的人患有近视。近年来，我国的近视率已上升为全球第二，仅次于日本，但近视的总人数确是全球第一。引起近视的主要原因是用眼不健康，如用连续用眼时间过长，看书，学习时的坐姿不正确等。有关智能台灯的研究目前已经比较成熟，并且部分款式已经投入
11、生产。早期的智能台灯有1995年发明的新颖感应式台灯，通过用手接近台灯来控制亮灭和改变亮度。但其感应范围小，严格意义上仍不算自动调光。随后出现了一批声控、光控，红外感应等方式进行自动开关的台灯。感应范围也扩大到整个房间甚至更远。可控硅的应用使得台灯亮度自动调节得到真正实现。不过可控硅一般用在220V交流电路，台灯灯泡选用普通白炽灯泡。LED台灯的智能开关方面和普通智能台灯没用什么区别，基本上也是采用声控、光控、红外感应等各种形式。在亮度调节方面，由于LED需要恒流驱动，限制了可控硅的使用，大多智能台灯采用了PWM技术，用单片机控制输出占空比来控制LED灯的亮度，来实现对台灯亮度的自动调节。因此
12、，我们提出LED智能台灯的设计方案。1.2方案介绍1.2.1方案选择为了实现智能开关自动调光的目的，准备了以下两种方案：图1-1 方案一的系统框图图1-2方案二的系统框图如图1-1所示，方案一采用热释电红外传感器和BISS0001集成芯片构成感应信号处理模块。BISS0001集成IC1为单片机提供外部中断0，BISS0001集成IC2为单片机提供外部中断1。外部中断0控制台灯亮灭，外部中断1控制扬声器发出警报。用光敏电阻采样得到的电压变化经AD转换成数字信号后传给单片机处理。单片机通过控制矩形波的占空比达到控制流经LED的电流变化的目的从而实现LED灯亮度的自动调节。图1-2所示的方案二的感应
13、信号处理模块和方案一相同，都是采用热释电红外传感器和BISS0001集成芯片构成。两者主要的差别在于亮度自动控制模块。方案二利用光敏电阻和定值电阻串联分压来改变三极管基极电压，进而改变LED的电流实现LED灯亮度的自动调节。警报模块内置信号放大电路，热释电红外传感器2输出的传感信号经放大电路放大后驱动扬声器发出警报音提醒用户离开台灯。方案一采用的是大众化方案，特点是PWM用于LED灯亮度调节的技术已经很成熟，很多LED亮度控制电路都用这样方法来设计。缺点是要利用AD转换电路繁琐复杂，而且还要用单片机编程。方案二电路简单，仅仅用了一个三极管和几个电阻就代替了AD转换，单片机和PWM控制芯片。大大
14、降到了台灯的成本。缺点是亮度调节精度不如采用PWM调节的方法。综合考虑，选择采用方案二。1.2.2 功能与指标本设计主要目的是设计一种智能LED台灯，并能实现以下功能： （1）具有智能开关控制功能：要求实现当有人接近台灯一定范围时台灯能自动点亮。当人离开后，台灯会延时一段时间后再熄灭。并且要求在白天等光线充足的情况下无论人是否接近台灯都不会触发台灯发光。同时人离开后台灯延时发光的时间和判断是否允许台灯点亮的光照强度的大小可以由用户自己进行设置； （2）具有智能亮度调节功能：要求台灯的亮度能随环境自动进行变化调节，即在一定范围内实现环境光照过强时降低台灯的亮度，当环境光线不足时则加强台灯的亮度。
15、使环境总体照度保持在一个人眼舒适的范围内。同时要求用户也可以手动改变台灯亮度。 （3）保护视力功能：要求实现当人体离台灯过近时，台灯会发出警报，提醒用户远离台灯。 设计指标：工作电压：220V交流市电工作电流：160-750mA 传感器1监测范围：0.3-2m传感器2监测范围：0.1-0.2m 外观尺寸：200mm*120mm*330mm1.2.3方案简述本设计的任务就是设计一款智能开关自动调光的节能LED台灯。方案的主要设计思路如下：LED灯需要恒流源驱动，由于三极管恒流源需要一个稳压源提供支持，故在电源模块电路中使用了三端固态稳压器7812和7805。电源部分采用变压器后接桥式整流电容滤波
16、电路，再接7812和7805稳压器为总电路提供+12V和+5V电压。本设计采用人体红外感应开关来作为台灯的自动开关，该感应开关主要由热释电红外传感器RE200B和BISS0001构成。当人体接近热释电红外传感器时传感器会因感应到人体发出的红外信号而输出一个感应信号，该感应信号送入BISS0001集成芯片处理，BISS0001集成芯片完成对感应信号的处理后会输出一个高电平驱动后续电路工作。当人体离开后，热释电红外传感器停止输出感应信号，BISS0001集成芯片输出的电平变为低电平并关闭后续电路。实现了人来灯亮人走灯灭的功能。根据BISS0001集成芯片的特性，其9脚电压和电源电压的大小决定输入信
17、号是否有效，因此，9脚电压如果通过一个定值电阻和光敏电阻分压得到就能实现在某个特定光强下使BISS0001集成芯片开始工作，将这个定值电阻换成电位器的话就能实现台灯开启判断光照强度由用户设置的功能。BISS0001集成芯片本身具有延时功能，其延时时间长短由3脚4脚外接电阻电容的大小决定，可通过对其大小变更实现用户对延时灯灭的时间设置的功能。为了防止BISS0001集成芯片输出信号对亮度自动控制电路的影响，两者间通过光电耦合器联系起来。光电耦合器起开关作用，并将两部分电路隔绝。亮度自动控制电路的主体就是三极管恒流源的电路。三极管基极分压电路部分把两个定值电阻分别替换为一个光敏电阻和一个电位器。根
18、据环境光照强度的变化基极电压也在变化。最终实现恒流源电流的改变，从而自动调节LED灯的亮度。电位器的作用是可以让用户自主调节台灯的亮度警报模块的热释电红外传感器2安装在台灯底部，在其顶部装有特制的菲涅尔透镜。该菲涅尔透镜使其监测范围缩小到0.1m-0.2m。警报模块主要就是一个信号放大电路。当人离台灯过近时，热释电红外传感器2感应到人体靠近，输出一个感应信号。该感应信号经信号放大电路放大后接入继电器线圈使继电器闭合，从而导通扬声器电路使其发出警报音提醒用户远离台灯。综上所述，本设计的电路主要分为电源模块，感应信号处理、台灯亮度自动控制模块和警报模块四个部分组成。除了感应信号处理模块和警报模块电
19、路元件较多，其余两部分电路都很简单。感应信号处理电路虽然看起来有些复杂，但它是由热释电红外传感器、信号放大电路、BISS0001集成IC、和延时电路四部分组成。分开看的话，各部分就不那么复杂了。总体来说，本设计方案简单实用，应能满足设计要求。2部分元件介绍2.1 7812/7805稳压器LM78XX系列是三端正电源稳压电路，它最常用的封装形式为TO-220和TO-202。它有一系列固定的电压输出，应用非常的广泛。LM78后面的数字就是表示固定输出的大小。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。2.1.1 LM78系列稳压器结构图LM78XX系列三端稳压电
20、路的结构基本类似，只是参数的大小有些差异。其外观是一个有三个管脚的集成IC，其内部结构图如图所示：图2-1三端稳压电路LM78XX内部框图2.1.2 LM78系列稳压器介绍78XX系列的稳压器的极限输入电压是35V，为了保证稳压器的正常工作最低输入电压一般要比输出电压高1-4V。还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为9-15V之间。LM78系列稳压器的电气特性如下表所示：表2-1LM78系列稳压器电气参数表参数符号测试条件LM7812LM7805单位最小典型最大最小典型最大输出电压VoTj=2511.51212.54.855.2V线性调整率ViTj=25VI =14.5V to
21、 30V(LM7812)Tj=25Vi=7.5V to 25V(LM7805)102404100mVTj=25VI =16V to 22V(LM7812)Tj=25,Vi=8V to 12V(LM7805)3.01201.650mV负载调整率VoTj=25IO =5mA to 1.5A112409100mVTj=2,lo=250mA to 750mA5.0120450mV静态电流IQTj=255.18.05.08.0mA静态电流变化率IQlo=5mA to 1.0A0.10.50.030.5mA电压差Volo=1.0A,Tj=2522V输出阻抗Rof=1KHz1815m短路电流ISCVi=35
22、V,Tj=25230230mA峰值电流IPKTj=252.22.2A2.2热释电红外传感器人体辐射的红外线中心波长为910um，而热释电红外传感器的探测元件的波长灵敏度在0.220um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为710um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。2.2.1热释电传感器结构 (a)结构 （b）内部电路图2-2 热释电红外传感器结构图如图所示，热释电红外传感器采用金属封装，顶部开有窗口，窗口处的滤光片用于滤去无用的红外线，让有用的红外线进
23、入窗口。由于敏感元件的输出阻抗极高，而且输出电极极其微弱，因此在传感器内部装有FET管及偏置厚膜电阻，构成信号放大及阻抗变换电路。2.2.2热释电传感器简介热释电传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。热释电红外传感器多用于检测物体发射的红外线，其检测区域呈球形，视角为70左右。热释电红外传感器自身的接受灵敏度较低，一般检测距离仅2M
24、左右，为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊的光学系统透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的行动。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，使传感器的两个反向串联的热释电元件轮流感受到运动物体，而物体的红外辐射以光脉冲的形式不断改变热释电元件的温度吗，使它输出一串脉冲信号。若物体静止不
25、动地站在热释电元件前，极性相反的敏感元件产生的热释电信号将相互抵消，它会无输出，这样也可以有效的防止因太阳等红外线及环境温度变化而引起的误差，提高热释电传感器的抗干扰性能。 热释电红外感应器的优缺点：优点：热释电传感器本身不发出任何辐射，器件功耗非常小，隐蔽性好，价格低廉。缺点：（1） 容易受到各种热源、光源干扰。容易受到射频干扰。（2） 被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被抵挡，不易被探头接收。（3） 环境温度和人体温度接近时，传感器灵敏度明显下降，有时甚至造成短暂失灵。 热释电红外传感器的安装要求：热释电红外报警器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。其正确的安装应满足
26、下列条件：（1）报警器应离地面2.02.2米。（2）报警器应远离空调、冰箱、火炉等空气、温度变化比较敏感的地方。（3）报警器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。（4）报警器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的话最好把窗帘拉上。另外，报警器也不要安装在有强气流活动的地方。2.2.3热释电传感器RE200B的参数常用的热释电传感器有RE200B，KDS209，D203/D203S，SB05-82，LHI958/878等。本设计采用的热释电红外传感器的型号是RE200B。该型号的传感器采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温
27、度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。RE200B采用TO-5封装形式，其主要参数如下：灵敏元面积：2.01.0mm；工作波长：7-14m；平均透过率： 75%；工作电压： 2.2-15V；工作电流： 8.5-24A(VD=10V,Rs=47k,25)；源极电压： 0.4-1.1V(VD=10V,Rs=47k,25)；输出信号： 10-20 mV；噪声输出电压： 250uV（典型值90uV）；频率响应：0.3Hz-3Hz；增益：10dB；工作温度 -20- +70保存温度 -35- +80视场 139126平衡度 20%特别注意的是：1、上述特性指标是在源极电阻R2=47K条件下测定的，
28、用户使用传感器时，可根据自己的需要调整R2的大小。2、注意灵敏元的位置及视场大小，以便得到最佳光学设计。3、所有电压信号的测量都是采用峰一峰值定标。平衡度B中的EA和EB分别表示两个灵敏元的电压输出信号的峰一峰值。4、使用传感时，管脚的弯曲或焊接部位应离开管脚基部4mm以上。5、使用传感器前，应先参考说明书，尤其要防止接错管脚2.3 BISS0001集成芯片BISS0001是一款传感信号处理集成电路。该芯片配以热释电红外传感器和少量外接元器件可以构成被动式的热释电红外开关。该红外开关广泛应用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统等领域。2.3.1 BISS0001结构图如图所示，BISS0001
29、是一个16管脚的集成IC，它的封装是SOP16/DIP16。采用CMOS工艺，数模混合，具有独立的高输入阻抗运算放大器，内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰，并且内设延迟时间定时器和封锁时间定时器。其结构图如下所示：（a）管脚图 （b）内部结构图图2-3 BISS0001芯片结构图2.3.2 BISS0001叙述BISS0001集成芯片是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器和封锁时间定时器及参考电压等构成的数模混合专用集成电路。可广泛应用于多种传感器和延时控制器。其极限参数（Vss=0V）如下：电源电压：-0.3V-6V；输入电压范围：VSS-0.3VVDD+6V(VDD=6V)；各
30、引出端最大电流：10mA(VDD=5V)；工作温度：-10-+70；存放温度：-65+150；直流参数：工作电压范围VDD：3-6V；工作电流IDD（输出空载）：VDD=3V：50uA；VDD=5V：100uA；输入失调电压（VDD=5V）：50mV；输入失调电流（VDD=5V）：50nA；开环电压增益（VDD=5V,RL=1.5M）：60dB；共模抑制比（VDD=5V,RL=1.5M）：60dB；运放输出高电平（VDD=5V，RL=500K，接1/2VDD）：4.25V；运放输出低电平（VDD=5V，RL=500K，接1/2VDD）：0.75V；A端输入高电平(VDD=5V)：3.5V；A端
31、输入低电平(VDD=5V)：1.5V；Vc端输入高电平(VDD=VRF=5V)：1.1V；Vc端输入低电平(VDD=VRF=5V)：0.9V；Vo输出高电平（VDD=5V,IOH=0.5mA）：4V；Vo端输出低电平（VDD=5V,IOL=0.1mA）：0.4V。2.3.3 BISS0001管脚说明BISS0001有16个管脚，各管脚作用如下表所示：表2-2 BISS0001管脚说明序号名称I/O功能说明1AI可重复触发和不可重复触发控制端。当A=“1”时允许重复触发，当A=“0”时不可重复触发2VOO控制信号输出端。由Vs上跳边沿触发使Vo从低电平跳变到高电平时为有效触发。在输出延迟时间Tx
32、之外和无Vs上跳时Vo为低电平状态3RR1-输出延迟时间Tx的调节端4RC1-输出延迟时间Tx的调节端5RC2-触发封锁时间Ti的调节端6RR2-触发封锁时间Ti的调节端7VSS-工作电源负端8VRFI参考电压及复位输入端。一般接VDD。接“0”时可使定时器复位9VCI触发禁止端。当VCVR时允许触发。VR0.2VDD10IB-运算放大器偏置电流设置端。经RB接VSS端，RB取值为1M左右11VDD-工作电源正端。范围为35V122OUTO第二级运算放大器的输出端132IN-I第二级运算放大器的反相输出端141IN+I第一级运算放大器的同相输入端151IN-I第一级运算放大器的反相输入端161
33、OUTO第一级运算放大器的输出端2.3.4 BISS0001工作原理BISS0001集成IC有两种工作方式：可重复触发工作方式和不可重复触发工作方式，分别由管脚1的输入电平决定。当管脚1接低电平时，A=0,BISS0001集成IC处于不可重复触发工作状态。当管脚1接高电平时，A=1,BISS0001集成IC处于可重复触发工作状态。下面分别就两种工作方式分别介绍：（1）BISS0001不可重复触发工作方式：图2-4 BISS0001不可重复触发工作方式各点波形以上图所示的不可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。首先，根据实际需求，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然
34、后耦合给运算放大器OP2 ，再进行第二次放大，同时将直流电位抬高为VM（VM0.5VDD）后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号VS。由于VH0.7VDD、VL0.3VDD,所以当VDD=5V时，可以有效抑制1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。COP3是一个条件比较器。当输入电压VCVR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。当A端接“0”(低)电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直到Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳
35、变为有效状态（高电平），可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。（2）BISS0001可重复触发工作方式：图2-5 BISS0001可重复触发工作方式各点工作波形以上图所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。可重复触发工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期间，信号Vs不能触发Vo为有效状态。在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在周期Tx内一直保持有效状态。在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状
36、态.并且同样在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。BISS0001集成IC输出延时时间Tx和封锁时间Ti分别由管脚3，4，5，6外接电容电阻决定。分别定义接管脚3，4的电阻电容为。接管脚5，6的电阻电容为。则输出延时时间Tx和封锁时间Ti的计算公式如下：2.4光电耦合器光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合器。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电光电”转换。
37、普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。2.4.1光电耦合器原理图光耦合器有双列直插式、管式、光导纤维式等多种封装形式，其种类达数十种。本设计采用最常见的三极管接收4脚封装型光电耦合器。内部框图如图2-6所示： 图2-6常用的光电耦合器之内部结构图 三极管接收型 4脚封装2.4.2光电耦合器常用参数光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离 、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器
38、(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。光电耦合器常用参数如下：正向压降VF：二极管通过的正向电流为规定值时，正负极之间所产生的电压降。正向电流IF：在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流。反向电流IR：在被测管两端加规定反向工作电压VR时，二极管中流过的电流。反向击穿电压VBR：被测管通过的反向电流IR为规定值时，在两极间所产生的电压降。结电容CJ：在规定偏压下，被测管两端的电容值。反向击穿电压V(BR)CEO：发光二极管开路，集电极电流IC为规定值，集电极与发射集间的电压降
39、。输出饱和压降VCE(sat)：发光二极管工作电流IF和集电极电流IC为规定值时，并保持IC/IFCTRmin时（CTRmin在被测管技术条件中规定）集电极与发射极之间的电压降。反向截止电流ICEO：发光二极管开路，集电极至发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流为反向截止电流。电流传输比CTR：输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。脉冲上升时间tr、下降时间tf：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%，所需时间为脉冲上升时间tr。从输出脉冲后沿幅度的90%到10
40、%，所需时间为脉冲下降时间tf。传输延迟时间tPHL、tPLH：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输入脉冲前沿幅度的50%到输出脉冲电平下降到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPHL。从输入脉冲后沿幅度的50%到输出脉冲电平上升到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPLH。入出间隔离电容CIO：光耦合器件输入端和输出端之间的电容值。入出间隔离电阻RIO：半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。入出间隔离电压VIO：光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。电流传输比是光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时
41、，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。2.4.3光电耦合器选取规则在设计光耦光电隔离电路时必须正确选择光耦合器的型号及参数，选取原则如下： (1)由于光电耦合器为信号单向传输器件，而电路中数据的传输是双向的，电路板的尺寸要求一定，结合电路设计的实际要求，就要选择单芯片集成多路光耦的器件； (2)光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是不小于50%。因为当CTR5.0 mA)，才能保证信号在长线传输中不发生错误，这会增大光耦的功耗； (3)光电耦合器的传输速度也是选取光耦必须遵循的原则之一，光耦开关速度过慢，无法对输入电平做出正确反应，会影响电路的正常工作。 (4)推荐采用线性光
42、耦。其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。设计中由于电路输入输出均是一种高低电平信号，故此，电路工作在非线性状态。而在线性应用中，因为信号不失真的传输，所以，应根据动态工作的要求，设置合适的静态工作点，使电路工作在线性状态。通常情况下，单芯片集成多路光耦的器件速度都比较慢，而速度快的器件大多都是单路的，大量的隔离器件需要占用很大布板面积，也使得设计的成本大大增加。在设计中，受电路板尺寸、传输速度、设计成本等因素限制，无法选用速度上非常占优势的单路光耦器件。2.4.4光电耦合器应用于开关电路中的工作原理对于开关电路，往往要求控制电路和开关电路之间要有很好的电隔离，这对于一般的电子开关来说是
43、很难做到的，但采用光电耦合器就很容易实现了。光电耦合器用于开关电路时有常闭式和常开式两种接法，他们的电路接法如图2-7所示： （a）常开式（b）常闭式图2-7简单的光电耦合器构成的开关电路在图2-7（a）所示的常开式接法电路中，当没有脉冲信号（高电平）输入时，三极管Q1处于截止状态，发光二极管中无电流通过不发光。光敏三极管没用接收到光照则a、b两端电阻非常大，相当于开关“断开”。当输入端加有脉冲信号时，三极管Q1导通，发光二极管中有电流流过开始发光，光敏三极管接收到光照导通则a、b两端电阻变得非常小，相当于开关“接通”。故称无信号（低电平）时开关不通，为常开状态。图2-7中（b）所示电路则为“
44、带闭”状态，因为无脉冲信号（高电平）输入时，虽然三极管Q1处于截止状态，但发光二极管中有电流通过而发光，使a、b两端处于导通状态，相当于开关“接通”。当有脉冲信号输入时，三极管Q1导通，由于BG的集电结压降在03V以下，远小于发光二极管的正向导通电压，所以发光二极管无电流流过不发光，则a、b两端电阻极大，相当于开关“断开”，所以称这种接法为“常闭”式。可见，开关a、b端在电路中不受电位高低的限制，但在使用中应满足a端电位为正，b端为负，并使U&ab3V为好，同时还应注意Uab应小于光电三极管的BVceo。以上两种接法都是高电平有效，即输入信号Vo为高电平时光电耦合器的a,b端才闭合（常开式）和
45、关断（常闭式）。因此常常把常开式接法称为“高电平导通开关”，把常闭式接法称为“低电平导通开关”。2.4.5使用光电耦合器的注意事项（1）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。 （2）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，否则这种隔离是没有意义的。2.5三极管恒流源恒流源是输出电流保持不变的电流源，而理想的恒流源为： a)不因负载(输出电压)变化而改变。 b)不因环境温度变化而改变。 c)内阻为无限大。理想的恒流源，其内阻为无限大，使其电流可以全部流出外面。但实际上这种理想恒流源无
