光電耦合器在汽車上的應用

侯譚剛

（株洲職業(yè)技術(shù)學院，湖南 株洲 412001）

1 前言

筆者在北京曾見過一輛現(xiàn)代車下高速路過收費站時突然冒煙起火，幸虧處理及時沒有造成嚴重損失。后經(jīng)專家分析是因為電磁干擾導致電路短路引起的。隨著汽車技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車上使用了大量的電子控制裝置，許多中高檔轎車上采用了十幾個或幾十個電控單元，而每一個電控單元都連接著多個傳感器和執(zhí)行器，并且各控制單元間也需要進行信息交換，因而電子元器件，線束和插接件也越來越多，而通電導線周圍便存在著磁場，因而電磁干擾的問題也越來越嚴重。光電耦合器具有良好的抗電磁干擾能力等特點，因而在汽車上得到了越來越廣泛的應用。

2 光電耦合器

（1）光電耦合器的定義。光電耦合器是一種把發(fā)光器件和光敏器件封裝在同一殼體內(nèi)，中間通過電→光→電的轉(zhuǎn)換來傳輸電信號的半導體光電子器件。其中，發(fā)光器件一般都是發(fā)光二極管。而光敏器件的種類較多，除光電二極管外，還有光敏三極管、光敏電阻、光電晶閘管等。光電耦合器可根據(jù)不同要求，由不同種類的發(fā)光器件和光敏器件組合成許多系列的光電耦合器。

（2）光電耦合器結(jié)構(gòu)與原理。光電耦合器主要由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。光的發(fā)射部分主要由發(fā)光器件構(gòu)成，發(fā)光器件一般都是發(fā)光二極管，發(fā)光二極管加上正向電壓時，能將電能轉(zhuǎn)化為光能而發(fā)光，發(fā)光二極管可以用直流、交流、脈沖等電源驅(qū)動，但發(fā)光二極管在使用時必須加正向電壓。光的接收部分主要由光敏器件構(gòu)成，光敏器件一般都是光敏晶體管，光敏晶體管是利用PN結(jié)在施加反向電壓時，在光線照射下反向電阻由大變小的原理來工作的，光敏晶體管在使用時有二個重要的注意事項：第一、必須加反向電壓；第二、光敏晶體管管殼必須保持清潔。光的信號放大部分主要由電子電路等構(gòu)成。發(fā)光器件的管腳為輸入端，而光敏器件的管腳為輸出端。工作時把電信號加到輸入端，使發(fā)光器件的芯體發(fā)光，而光敏器件受光照后產(chǎn)生光電流并經(jīng)電子電路放大后輸出，實現(xiàn)電→光→電的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)輸入和輸出電路的電器隔離。由于光電耦合器輸入與輸出電路間互相隔離，且電信號在傳輸時具有單向性等優(yōu)點，因而光電耦合器具有良好的抗電磁波干擾能力和電絕緣能力。又由于光電耦合器的輸入端是發(fā)光器件，發(fā)光器件是阻抗電流驅(qū)動性器件，而噪音是一種高內(nèi)阻微電流電壓信號。因此光電耦合器件的共模抑制比很大，光電耦合器件可以很好地抑制干擾并消除噪音。它在計算機數(shù)字通信及實時控制電路中作為信號隔離的接口元件可以大大增加計算機工作的可靠性。在長線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大幅度提高信噪比。所以，它在各種電路中得到了廣泛的應用。目前已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。

（3）光電耦合器的特點：①光信號單向傳輸，輸出信號對輸入端無反饋，可有效阻斷電路或系統(tǒng)之間的電聯(lián)系，但并不切斷他們之間的信號傳遞。②隔離性能好，輸入端與輸出端之間完全實現(xiàn)了電隔離。③光信號不受電磁波干擾，工作穩(wěn)定可靠。④光發(fā)射器件與光敏器件的光譜匹配十分理想，響應速度快，傳輸效率高。⑤抗共模干擾能力強，能很好地抑制干擾并消除噪音。⑥無觸點，使用壽命長，體積小，耐沖擊能力強。⑦易與邏輯電路連接。⑧工作溫度范圍寬，符合工業(yè)和軍用溫度標準。

3 光電耦合器在汽車上的應用

（1）車身高度傳感器。光電耦合器由于具有單向傳輸信號，輸入端與輸出端之間完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高等優(yōu)點，在汽車上廣泛應用。典型應用實例如凌志、寶馬等高檔轎車上電控主動懸架系統(tǒng)中的采用車身高度傳感器，實質(zhì)是光電耦合器的應用。

電控主動懸架系統(tǒng)能夠根據(jù)車身高度、轉(zhuǎn)向角度及速率、車速、制動等信號，由電控單元ECU控制懸架的執(zhí)行機構(gòu)，使懸架的剛度、減振器的阻尼力和車身高度等參數(shù)改變，從而使汽車具有良好的乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性。在主動懸架系統(tǒng)中車身高度傳感器是一個重要部件，目前現(xiàn)代轎車上應用最多的是光電耦合式車身高度傳感器。

光電耦合式車身高度傳感器安裝在懸架附近。它的作用主要是檢測車身高度的變化（汽車懸架裝置的位移量），并將車身高度的變化量轉(zhuǎn)化成電信號，輸入電控主動懸架控制裝置ECU。再由電控單元ECU控制懸架的執(zhí)行機構(gòu)，使車身高度等參數(shù)改變。它的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由遮光器，傳感器殼，一個帶窄槽的圓盤，傳感器蓋，傳感器軸和信號線等組成。在傳感器內(nèi)部，有一靠連桿帶動轉(zhuǎn)動的軸，傳感器軸上固定一開有許多窄槽的圓盤，遮光器實質(zhì)上是一個光電耦合器，由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。發(fā)光二極管發(fā)出的可見光經(jīng)一個帶窄槽的圓盤照到光敏晶體管上，光敏晶體管將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并經(jīng)電子電路放大后輸送給電子主動懸架控制裝置ECU。車身高度的變化會引起圓盤的轉(zhuǎn)動，圓盤的轉(zhuǎn)動可使遮光器的輸出信號進行ON、OFF轉(zhuǎn)換，依靠這種ON、OFF轉(zhuǎn)換，電子主動懸架控制裝置ECU可以檢測出圓盤的轉(zhuǎn)動角度，也就是車身高度的變化量。當車身高度發(fā)生變化時，即懸架變形量發(fā)生變化時，圓盤在傳感器軸帶動下轉(zhuǎn)動，從而使電子主動懸架控制裝置ECU檢測出車身高度的變化。

圖1 車身高度傳感器的結(jié)構(gòu)

（2）轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器。凌志、寶馬等高檔轎車上使用了電子控制主動懸架系統(tǒng)，電子控制主動懸架系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器實質(zhì)上也是光電耦合器的應用。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器的作用是用來檢測汽車轉(zhuǎn)向盤的偏轉(zhuǎn)角度和方向，它安裝在汽車轉(zhuǎn)向軸上。在轉(zhuǎn)向器的主軸上，設有一個帶窄槽圓盤的遮光器，遮光器圓盤的兩側(cè)便是兩組由發(fā)光二極管和光電晶體管組成的光電耦合器。光電耦合器安裝在轉(zhuǎn)向軸支管上。光電耦合器上的發(fā)光二極管通電發(fā)出的光通過遮光器上的窄槽圓盤照射到光電耦合器上的光電晶體管上，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，遮光器上的窄槽圓盤隨之轉(zhuǎn)動，使遮光器之間的光束產(chǎn)生通、斷的變化。遮光器的這種反復開、關(guān)的狀態(tài)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)角成一定比例的系列數(shù)字信號通過光電晶體管將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斎氲诫娮涌刂茟壹芟到y(tǒng)ECU中，電子控制懸架系統(tǒng)控制裝置ECU可根據(jù)此信號的變化來判斷轉(zhuǎn)向盤偏轉(zhuǎn)的角度和速度。同時，該傳感器在結(jié)構(gòu)上采用兩組由發(fā)光二極管和光電管體管組成的光電耦合器，可根據(jù)實際檢測到的脈沖信號的相位差來判斷轉(zhuǎn)向盤的偏轉(zhuǎn)方向。

（3）光導發(fā)射器。沃而沃、寶馬等高檔轎車上采用了目前車載網(wǎng)絡系統(tǒng)中傳輸速率最快的MOST總線系統(tǒng)，MOST總線系統(tǒng)中的MOST控制單元內(nèi)的光導發(fā)射器實質(zhì)上也是光電耦合器。MOST總線系統(tǒng)中的每一個控制單元內(nèi)都裝有光導發(fā)射器，MOST控制單元中的光導發(fā)射器實質(zhì)上是一個由發(fā)光二極管和光電二極管組成的光電耦合器。其中，發(fā)光二極管的作用是把MOST收發(fā)機中從MOST控制單元CPU中發(fā)出的帶有信息和數(shù)據(jù)的電信號轉(zhuǎn)換成光信號，產(chǎn)生出帶有信息和數(shù)據(jù)的可見光，帶有信息和數(shù)據(jù)的可見光經(jīng)光波調(diào)制后由光導纖維傳到下一個MOST控制單元。下一個MOST控制單元內(nèi)的光導發(fā)射器中的光電二極管便將到達的光信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后傳至MOST收發(fā)機，再由MOST收發(fā)機中的發(fā)光二極管產(chǎn)生出帶有信息和數(shù)據(jù)的可見光經(jīng)光波調(diào)制后由光導纖維傳到下一個MOST控制單元。從而實現(xiàn)信息的傳輸。由于采用了光電耦合器，因而MOST總線系統(tǒng)具有傳輸速率高、傳輸信息量大、信號衰減小、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕和靈敏度高等優(yōu)點，是車載網(wǎng)絡系統(tǒng)的發(fā)展方向，也是汽車線束的發(fā)展方向。

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