侯譚剛

（株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

1 前言

筆者在北京曾見(jiàn)過(guò)一輛現(xiàn)代車(chē)下高速路過(guò)收費(fèi)站時(shí)突然冒煙起火，幸虧處理及時(shí)沒(méi)有造成嚴(yán)重?fù)p失。后經(jīng)專(zhuān)家分析是因?yàn)殡姶鸥蓴_導(dǎo)致電路短路引起的。隨著汽車(chē)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車(chē)上使用了大量的電子控制裝置，許多中高檔轎車(chē)上采用了十幾個(gè)或幾十個(gè)電控單元，而每一個(gè)電控單元都連接著多個(gè)傳感器和執(zhí)行器，并且各控制單元間也需要進(jìn)行信息交換，因而電子元器件，線束和插接件也越來(lái)越多，而通電導(dǎo)線周?chē)愦嬖谥艌?chǎng)，因而電磁干擾的問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。光電耦合器具有良好的抗電磁干擾能力等特點(diǎn)，因而在汽車(chē)上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)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(guò)電→光→電的轉(zhuǎn)換來(lái)傳輸電信號(hào)的半導(dǎo)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(lèi)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(lèi)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(hào)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(shí)，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(dòng)，但發(fā)光二極管在使用時(shí)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(shí)，在光線照射下反向電阻由大變小的原理來(lái)工作的，光敏晶體管在使用時(shí)有二個(gè)重要的注意事項(xiàng)：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(hào)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(shí)把電信號(hào)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(shí)現(xiàn)電→光→電的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)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(hào)在傳輸時(shí)具有單向性等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)性器件，而噪音是一種高內(nèi)阻微電流電壓信號(hào)。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(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制電路中作為信號(hào)隔離的接口元件可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。在長(zhǎng)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(yīng)用。目前已成為種類(lèi)最多、用途最廣的光電器件之一。

（3）光電耦合器的特點(diǎn)：①光信號(hào)單向傳輸，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)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(hào)傳遞。②隔離性能好，輸入端與輸出端之間完全實(shí)現(xiàn)了電隔離。③光信號(hào)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(yīng)速度快，傳輸效率高。⑤抗共模干擾能力強(qiáng)，能很好地抑制干擾并消除噪音。⑥無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，體積小，耐沖擊能力強(qiáng)。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(biāo)準(zhǔn)。

3 光電耦合器在汽車(chē)上的應(yīng)用

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

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

光電耦合式車(chē)身高度傳感器安裝在懸架附近。它的作用主要是檢測(cè)車(chē)身高度的變化（汽車(chē)懸架裝置的位移量），并將車(chē)身高度的變化量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，輸入電控主動(dòng)懸架控制裝置ECU。再由電控單元ECU控制懸架的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使車(chē)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(gè)帶窄槽的圓盤(pán)，傳感器蓋，傳感器軸和信號(hào)線等組成。在傳感器內(nèi)部，有一靠連桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸，傳感器軸上固定一開(kāi)有許多窄槽的圓盤(pán)，遮光器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(jiàn)光經(jīng)一個(gè)帶窄槽的圓盤(pán)照到光敏晶體管上，光敏晶體管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并經(jīng)電子電路放大后輸送給電子主動(dòng)懸架控制裝置ECU。車(chē)身高度的變化會(huì)引起圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)可使遮光器的輸出信號(hào)進(jìn)行ON、OFF轉(zhuǎn)換，依靠這種ON、OFF轉(zhuǎn)換，電子主動(dòng)懸架控制裝置ECU可以檢測(cè)出圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，也就是車(chē)身高度的變化量。當(dāng)車(chē)身高度發(fā)生變化時(shí)，即懸架變形量發(fā)生變化時(shí)，圓盤(pán)在傳感器軸帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電子主動(dòng)懸架控制裝置ECU檢測(cè)出車(chē)身高度的變化。

圖1 車(chē)身高度傳感器的結(jié)構(gòu)

（2）轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器。凌志、寶馬等高檔轎車(chē)上使用了電子控制主動(dòng)懸架系統(tǒng)，電子控制主動(dòng)懸架系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器實(shí)質(zhì)上也是光電耦合器的應(yīng)用。轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器的作用是用來(lái)檢測(cè)汽車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)的偏轉(zhuǎn)角度和方向，它安裝在汽車(chē)轉(zhuǎn)向軸上。在轉(zhuǎn)向器的主軸上，設(shè)有一個(gè)帶窄槽圓盤(pán)的遮光器，遮光器圓盤(pán)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(guò)遮光器上的窄槽圓盤(pán)照射到光電耦合器上的光電晶體管上，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)，遮光器上的窄槽圓盤(pán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，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(fù)開(kāi)、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(hào)通過(guò)光電晶體管將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸入到電子控制懸架系統(tǒng)ECU中，電子控制懸架系統(tǒng)控制裝置ECU可根據(jù)此信號(hào)的變化來(lái)判斷轉(zhuǎn)向盤(pán)偏轉(zhuǎn)的角度和速度。同時(shí)，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(shí)際檢測(cè)到的脈沖信號(hào)的相位差來(lái)判斷轉(zhuǎn)向盤(pán)的偏轉(zhuǎn)方向。

（3）光導(dǎo)發(fā)射器。沃而沃、寶馬等高檔轎車(chē)上采用了目前車(chē)載網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)發(fā)射器實(shí)質(zhì)上也是光電耦合器。MOST總線系統(tǒng)中的每一個(gè)控制單元內(nèi)都裝有光導(dǎo)發(fā)射器，MOST控制單元中的光導(dǎo)發(fā)射器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，產(chǎn)生出帶有信息和數(shù)據(jù)的可見(jiàn)光，帶有信息和數(shù)據(jù)的可見(jiàn)光經(jīng)光波調(diào)制后由光導(dǎo)纖維傳到下一個(gè)MOST控制單元。下一個(gè)MOST控制單元內(nèi)的光導(dǎo)發(fā)射器中的光電二極管便將到達(dá)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后傳至MOST收發(fā)機(jī)，再由MOST收發(fā)機(jī)中的發(fā)光二極管產(chǎn)生出帶有信息和數(shù)據(jù)的可見(jiàn)光經(jīng)光波調(diào)制后由光導(dǎo)纖維傳到下一個(gè)MOST控制單元。從而實(shí)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(hào)衰減小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，是車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展方向，也是汽車(chē)線束的發(fā)展方向。

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[3]張軍，董長(zhǎng)興.汽車(chē)總線系統(tǒng)檢修[M].北京：北京理工大學(xué)出版，2010.