中職學生在電工電子實驗中光電耦合器使用技巧

概述：職業技術學校在我國現代化建設進程中扮演了重要角色，為國家輸送大量的實用型人才做出了不可磨滅的貢獻。隨著我國工業化進程的加速，人才需求尤其是實用型人才需求尤為迫切，加入WTO后，全球一體化進程加快，人才資源短缺，人才結構不合理的矛盾日益突出。據調查顯示，前往人才市場應聘的學生很多，但企業需要招聘具有豐富實踐經驗的技工和技師很難。如：單片機、PLC、數控車床等應用型人才。社會需要人才，企業發展離不開實用型人才的技術支撐。職業學校在培養實用型人才方面有很大優勢。電工電子課是計算機專業、電子專業，電工專業、自動化控制、汽車等專業的基礎技能學科，它的教學要根據人才培養的需求不斷地改進與創新。
學校教學對象決定了電工電子技術課的教學方式，招收的生源主要是具有初中同等學歷的學生，他們中間的數、理、化成績參差不齊，這樣給職校的電工電子技術專業課教學帶來了一定難度，這就要求我們的職校教學模式與之相適應。對此我在本學科教學方法上進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，所以在檢測時應針對不同的結構特點，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，一般均參照紅外發光二極管的檢測方法進行。對于光敏三極管輸出型的光電耦合器，檢測輸出端時應參照光敏三極管的檢測方法進行。
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光二極管的兩個引腳。如果有一次表針指數為無窮大，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光二極管的正極，紅表筆所接的引腳為發光二極管的負極。
     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部NPN型光敏三極管的集電極c、紅表筆所接的引腳為發射極e。當切斷輸入端正向電壓時，光敏三極管應截止，萬用表指數應為無窮大。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光二極管的正向導通電壓較普通發光二極管要低，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，應首先將所有發光二極管的管腳判別出來，然后再確定對應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腳的測量值進行比較，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：
    筆者多年前曾根據光電耦合器的原理，設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個相應插孔內時，如果發光二極管VD1、VD2同步閃爍發光，則證明光電耦合器完好。如果VD1不閃爍發光，則說明光電耦合器內部發光管已開路；如果VD1閃爍發光，但VD2不亮或恒定發光，說明光電耦合器內部不是發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用紅色閃爍發光二極管，VD2用綠色普通發光二極管。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（應套上絕緣管），然后脫胎而成。G用4節5號干電池串聯（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，面板開孔伸出兩個發光二極管的管帽和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，以適應不同型號和引腳排列的光電耦合器檢測。本裝置不設電源開關，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，在實際電工電子應用時要根據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”發光二極管的光電耦合器，適合應用于交流輸入的場合；采用達林頓輸出結構的光電耦合器，適合應用于輸出較大電流的場合；輸出由光觸發雙向晶閘管組成的光電耦合器，適合用來驅動交流負載。
2、光電耦合器的封裝形式與內部結構、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。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。用于隔離傳輸數字量時，要考慮它的響應速度問題。如果對輸出有功率要求，還得考慮功率接口設計問題。
3、光電耦合器就輸出特性而言，有非線性（數字型）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，這類產品適合于開關信號的傳輸，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，能以線性特性進行隔離控制。彩電、顯示器等的開關電源中常用的光電耦合器為線性產品，如果換成非線性產品，就有可能使振蕩波形變壞，嚴重時出現寄生振蕩，對圖像畫面等產生干擾，同時使電源帶負載能力下降。因此，在維修家電產品的開關電源時，如果發現光電耦合器損壞，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（包括數位量信號、控制量信號、狀態信號）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯系，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。這種結構可保證前后級間絕緣電阻高達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），但是在相鄰通道之間所出現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光源多為紅外發光二極管，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。為了防止紅外發光二極管因反壓過高而擊穿，可在其輸入端反向并聯上一個保護二極管。
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，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。若將基極引腳與發射極引腳短接，便可將光敏三極管轉換成為光敏二極管，在這種情況下，雖然使光電耦合器的電流傳輸比下降，但卻能夠使響應時間加快。 
7、在業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，兩端用黑色環氧樹脂封固即成。需要指出的是：在選用發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光器件和光敏器件對置封裝在一起，屬于內光路光電耦合器，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、個數和移動距離等的光傳感器（也稱光電開關或光電斷續檢測器），它分為遮光式（對射型）和反光式（反射型）兩種，其實物外形和結構如圖4所示。由于這類光傳感器也具有光耦合特點，并且它的光路在器件外面，所以將這類器件統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也采用相互隔離的結構，即發光器件和光敏器件相互獨立，保持電氣絕緣。但也有一些產品像圖4（b）那樣采用非隔離式，即發光器件和光敏器件為共地。外光路光電耦合器的缺點是容易受到外界光線的干擾，尤其是在較強的環境光線下使用，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，以求焊點位置準確。焊接時間不宜過長，防止燙壞器件本身或線路板。
開展電工電子實驗，不但使學生的電路設計能力提高、系統知識增強、課程知識掌握得更好，學生通過與理論課同步的軟件仿真實驗，搞清楚了電路的工作原理、波形關系、參數條件、調試方法和可能出現的各種問題等。再做硬件實驗時，其思路、方法和電路分析調試能力都大有提高。因此，為適應科學素質教育的要求，選擇符合本學科教學原則、教學目的、教學內容、學生特點以及教學條件的教學方法，融入新的思想和理念。這樣激發了學生的學習興趣、掌握科學的學習方法，調動了學生的創新積極性、激發他們的創新潛能。培養學生的獨立思考能力，提高了教學效果。