光电耦合器在汽车上的应用

侯谭刚

（株洲职业技术学院，湖南 株洲 412001）

1 前言

笔者在北京曾见过一辆现代车下高速路过收费站时突然冒烟起火，幸亏处理及时没有造成严重损失。后经专家分析是因为电磁干扰导致电路短路引起的。随着汽车技术和电子技术的发展，现代汽车上使用了大量的电子控制装置，许多中高档轿车上采用了十几个或几十个电控单元，而每一个电控单元都连接着多个传感器和执行器，并且各控制单元间也需要进行信息交换，因而电子元器件，线束和插接件也越来越多，而通电导线周围便存在着磁场，因而电磁干扰的问题也越来越严重。光电耦合器具有良好的抗电磁干扰能力等特点，因而在汽车上得到了越来越广泛的应用。

2 光电耦合器

（1）光电耦合器的定义。光电耦合器是一种把发光器件和光敏器件封装在同一壳体内，中间通过电→光→电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。其中，发光器件一般都是发光二极管。而光敏器件的种类较多，除光电二极管外，还有光敏三极管、光敏电阻、光电晶闸管等。光电耦合器可根据不同要求，由不同种类的发光器件和光敏器件组合成许多系列的光电耦合器。

（2）光电耦合器结构与原理。光电耦合器主要由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。光的发射部分主要由发光器件构成，发光器件一般都是发光二极管，发光二极管加上正向电压时，能将电能转化为光能而发光，发光二极管可以用直流、交流、脉冲等电源驱动，但发光二极管在使用时必须加正向电压。光的接收部分主要由光敏器件构成，光敏器件一般都是光敏晶体管，光敏晶体管是利用PN结在施加反向电压时，在光线照射下反向电阻由大变小的原理来工作的，光敏晶体管在使用时有二个重要的注意事项：第一、必须加反向电压；第二、光敏晶体管管壳必须保持清洁。光的信号放大部分主要由电子电路等构成。发光器件的管脚为输入端，而光敏器件的管脚为输出端。工作时把电信号加到输入端，使发光器件的芯体发光，而光敏器件受光照后产生光电流并经电子电路放大后输出，实现电→光→电的转换，从而实现输入和输出电路的电器隔离。由于光电耦合器输入与输出电路间互相隔离，且电信号在传输时具有单向性等优点，因而光电耦合器具有良好的抗电磁波干扰能力和电绝缘能力。又由于光电耦合器的输入端是发光器件，发光器件是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电流电压信号。因此光电耦合器件的共模抑制比很大，光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。它在计算机数字通信及实时控制电路中作为信号隔离的接口元件可以大大增加计算机工作的可靠性。在长线信息传输中作为终端隔离元件可以大幅度提高信噪比。所以，它在各种电路中得到了广泛的应用。目前已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。

（3）光电耦合器的特点：①光信号单向传输，输出信号对输入端无反馈，可有效阻断电路或系统之间的电联系，但并不切断他们之间的信号传递。②隔离性能好，输入端与输出端之间完全实现了电隔离。③光信号不受电磁波干扰，工作稳定可靠。④光发射器件与光敏器件的光谱匹配十分理想，响应速度快，传输效率高。⑤抗共模干扰能力强，能很好地抑制干扰并消除噪音。⑥无触点，使用寿命长，体积小，耐冲击能力强。⑦易与逻辑电路连接。⑧工作温度范围宽，符合工业和军用温度标准。

3 光电耦合器在汽车上的应用

（1）车身高度传感器。光电耦合器由于具有单向传输信号，输入端与输出端之间完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高等优点，在汽车上广泛应用。典型应用实例如凌志、宝马等高档轿车上电控主动悬架系统中的采用车身高度传感器，实质是光电耦合器的应用。

电控主动悬架系统能够根据车身高度、转向角度及速率、车速、制动等信号，由电控单元ECU控制悬架的执行机构，使悬架的刚度、减振器的阻尼力和车身高度等参数改变，从而使汽车具有良好的乘坐舒适性和操作稳定性。在主动悬架系统中车身高度传感器是一个重要部件，目前现代轿车上应用最多的是光电耦合式车身高度传感器。

光电耦合式车身高度传感器安装在悬架附近。它的作用主要是检测车身高度的变化（汽车悬架装置的位移量），并将车身高度的变化量转化成电信号，输入电控主动悬架控制装置ECU。再由电控单元ECU控制悬架的执行机构，使车身高度等参数改变。它的结构如图1所示，主要由遮光器，传感器壳，一个带窄槽的圆盘，传感器盖，传感器轴和信号线等组成。在传感器内部，有一靠连杆带动转动的轴，传感器轴上固定一开有许多窄槽的圆盘，遮光器实质上是一个光电耦合器，由发光二极管和光敏晶体管组成。发光二极管发出的可见光经一个带窄槽的圆盘照到光敏晶体管上，光敏晶体管将接收到的光信号转换成电信号并经电子电路放大后输送给电子主动悬架控制装置ECU。车身高度的变化会引起圆盘的转动，圆盘的转动可使遮光器的输出信号进行ON、OFF转换，依靠这种ON、OFF转换，电子主动悬架控制装置ECU可以检测出圆盘的转动角度，也就是车身高度的变化量。当车身高度发生变化时，即悬架变形量发生变化时，圆盘在传感器轴带动下转动，从而使电子主动悬架控制装置ECU检测出车身高度的变化。

图1 车身高度传感器的结构

（2）转向盘转角传感器。凌志、宝马等高档轿车上使用了电子控制主动悬架系统，电子控制主动悬架系统中的转向盘转角传感器实质上也是光电耦合器的应用。转向盘转角传感器的作用是用来检测汽车转向盘的偏转角度和方向，它安装在汽车转向轴上。在转向器的主轴上，设有一个带窄槽圆盘的遮光器，遮光器圆盘的两侧便是两组由发光二极管和光电晶体管组成的光电耦合器。光电耦合器安装在转向轴支管上。光电耦合器上的发光二极管通电发出的光通过遮光器上的窄槽圆盘照射到光电耦合器上的光电晶体管上，转动转向盘时，遮光器上的窄槽圆盘随之转动，使遮光器之间的光束产生通、断的变化。遮光器的这种反复开、关的状态产生与转向轴转角成一定比例的系列数字信号通过光电晶体管将光信号转变为电信号输入到电子控制悬架系统ECU中，电子控制悬架系统控制装置ECU可根据此信号的变化来判断转向盘偏转的角度和速度。同时，该传感器在结构上采用两组由发光二极管和光电管体管组成的光电耦合器，可根据实际检测到的脉冲信号的相位差来判断转向盘的偏转方向。

（3）光导发射器。沃而沃、宝马等高档轿车上采用了目前车载网络系统中传输速率最快的MOST总线系统，MOST总线系统中的MOST控制单元内的光导发射器实质上也是光电耦合器。MOST总线系统中的每一个控制单元内都装有光导发射器，MOST控制单元中的光导发射器实质上是一个由发光二极管和光电二极管组成的光电耦合器。其中，发光二极管的作用是把MOST收发机中从MOST控制单元CPU中发出的带有信息和数据的电信号转换成光信号，产生出带有信息和数据的可见光，带有信息和数据的可见光经光波调制后由光导纤维传到下一个MOST控制单元。下一个MOST控制单元内的光导发射器中的光电二极管便将到达的光信号转换成电压信号后传至MOST收发机，再由MOST收发机中的发光二极管产生出带有信息和数据的可见光经光波调制后由光导纤维传到下一个MOST控制单元。从而实现信息的传输。由于采用了光电耦合器，因而MOST总线系统具有传输速率高、传输信息量大、信号衰减小、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀和灵敏度高等优点，是车载网络系统的发展方向，也是汽车线束的发展方向。

[1]陈梓城，孙丽霞.电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]王遂双.汽车电子控制系统的原理与检修[M].北京：北京理工大学出版，1998.

[3]张军，董长兴.汽车总线系统检修[M].北京：北京理工大学出版，2010.