基本信息
书名:传感器技术及应用电路项目化教程
定价：35.00元
售价：23.8元,便宜11.2元,折扣68
作者:钱裕禄
出版社：北京大学出版社
出版日期：2016-04-01
ISBN：9787301221105
字数：
页码：
版次：1
装帧：平装
开本：16开
商品重量：0.341kg
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内容提要
本书整体编写思路是“模块化 项目化”，模块化突出的是以“被测物理量为研究对象”，每个模块由若干个项目组成，每个项目以某一个具体传感器应用设计为依托。本书内容主要包括：现代检测技术及传感器基础知识；典型传感器及其应用：主要包括超声波传感器、光电传感器、红外传感器、霍尔传感器、气体传感器、温度传感器、湿度传感器和智能化数字传感器等；物联网与传感器网；传感器技术在现代检测系统中的应用。本书可以作为普通高等学校电子信息工程、自动控制、电子工程、应用电子技术、电气工程、工业自动化等相关专业的教学用书。
目录
作者介绍
文摘
序言
《光电耦合与隔离技术》 内容概述 本书深入探讨了光电耦合器（Optocoupler）及其在电子电路设计中的应用。光电耦合器作为一种重要的隔离元件，在现代电子系统中扮演着至关重要的角色，能够有效隔离高压与低压电路，防止电网噪声和瞬态干扰，提高系统的可靠性和安全性。本书将从光电耦合器的基本原理出发，详细介绍其种类、工作特性、选型原则，并结合大量的实际应用案例，展示如何在电源、通信、控制、医疗设备等多个领域灵活运用光电耦合器，解决实际工程问题。 第一章 光电耦合器原理与结构 1.1 光电耦合器的基本概念与功能 什么是光电耦合器？ 光电耦合器（Optocoupler），也称为光隔离器（Optical Isolator）或光电耦合器件（Optoelectronic Coupler），是一种利用光作为信号传输媒介来实现输入端与输出端电隔离的器件。它通过内部的光电器件（发光二极管和光电探测器）将电信号转化为光信号，再由光信号驱动输出端的器件，从而实现电信号的隔离。 隔离的必要性： 安全性： 在高压电路与低压控制电路之间，或在不同电位参考点的电路之间，隔离可以防止高压击穿，保护人员安全和低压元器件。 抗干扰： 隔离可以有效阻止来自电源线、通信线等外部的电磁干扰（EMI）和瞬态电压冲击（如浪涌），保护敏感的控制电路。 接地环路消除： 在复杂的系统中，不同设备之间可能存在接地电位差，形成接地环路，导致信号失真和噪声。光电耦合器可以切断这些接地环路。 信号电平转换： 光电耦合器还可以用于不同信号电平的电路之间的接口，实现电平的兼容。 光电耦合器的基本组成： 输入端（驱动端）： 通常是一个发光二极管（LED），将输入的电信号转换为光信号。 输出端（响应端）： 通常是一个光电探测器，接收光信号并将其转换为电信号。常见的有光电晶体管（Phototransistor）、光电达林顿晶体管（Photodarlington）、光电二极管（Photodiode）、光控硅（Photo-SCR）、光控双向可控硅（Photo-TRIAC）等。 封装： 输入端和输出端被封装在一个绝缘的材料中，通过透明窗口或光导材料实现光信号的传输，实现电隔离。 1.2 光电耦合器的分类与工作原理 按输出器件分类： 光电晶体管型： 最常见，输出信号可以放大，但响应速度相对较慢。 光电达林顿晶体管型： 具有更高的电流传输比（CTR），但响应速度更慢，饱和电压更高。 光电二极管型： 响应速度快，适用于高速信号传输，但输出信号需要外部放大。 光控硅/光控双向可控硅型： 能够控制较大的功率，常用于交流电源控制。 按传输特性分类： 直流型： 适用于传输直流信号或低频交流信号。 交流型： 内部通常包含两个反并联的发光二极管（输入端）和/或两个反并联的光电输出器件，可以传输交流信号。 工作原理详述： 输入端： 当输入电信号（电流）流过发光二极管时，LED发光。发光的强度与输入的电流成正比。 光信号传输： 发出的光信号通过透明的封装材料传播到输出端的光电探测器。 输出端： 光电探测器接收到光信号后，会产生相应的电响应。例如，光电晶体管会导通，产生输出电流；光电二极管会产生光电流。 隔离： 输入端和输出端之间通过光信号进行信息传递，物理上是绝缘的， thus achieving electrical isolation. 1.3 关键参数详解 电流传输比（CTR, Current Transfer Ratio）： 输出端（集电极电流）与输入端（正向驱动电流）的电流比值。这是衡量光电耦合器传递效率的重要参数。CTR随输入电流、温度、器件老化等因素变化。 隔离电压（Isolation Voltage）： 输入端与输出端之间能够承受的最大电压而不发生击穿。通常有AC peak, DC, or RMS values. 输入正向压降（Forward Voltage, VF）： 发光二极管正常工作时所需的正向电压。 输入正向电流（Forward Current, IF）： 发光二极管正常工作时所需的正向电流。 输出饱和压降（Saturation Voltage, VCE(sat)）： 光电晶体管等器件导通时，集电极与发射极之间的压降。 响应时间（Response Time）： 包括上升时间（rise time）和下降时间（fall time），表示输出信号跟踪输入信号变化的快慢。 隔离电阻（Isolation Resistance）： 输入端与输出端之间的绝缘电阻。 共模抑制比（CMR, Common-Mode Rejection）： 光电耦合器对共模信号的抑制能力，特别是在高速数字隔离应用中很重要。 第二章 光电耦合器的选型与应用电路设计 2.1 光电耦合器的选型原则 确定隔离需求： 根据被隔离电路的电压等级、噪声环境、接地情况等，选择合适的隔离电压和隔离类型。 匹配信号特性： 直流/交流信号： 选择直流型或交流型光电耦合器。 信号频率： 对于高速数字信号，需要选择响应时间短的光电耦合器。 信号幅度： 确保光电耦合器的输出能力能够满足后续电路的需求。 考虑电流传输比（CTR）： 选择CTR足够大的器件，以减少输入驱动电流，降低对输入驱动电路的要求。同时也要考虑CTR的稳定性。 功率和效率： 对于需要驱动大功率负载的应用，需要选择光控硅或光控双向可控硅等功率型光电耦合器。 环境适应性： 考虑工作温度范围、湿度等环境因素对器件性能的影响。 可靠性和寿命： 选择知名品牌、质量可靠的器件，并考虑器件的老化特性。 2.2 基础应用电路设计 直流信号隔离： 基本电路： 使用光电晶体管型光电耦合器，简单地将LED串联在输入信号线上，输出端连接到后续电路。 驱动电阻的设计： 根据LED的正向电压、工作电流和输入信号电压，计算合适的限流电阻。 上拉电阻的设计： 在输出端，通常需要一个上拉电阻来确定输出的逻辑电平。 交流信号隔离： 使用交流型光电耦合器： 直接用于交流信号的隔离。 使用两个直流型光电耦合器： 将两个具有相反极性的LED串联作为输入端，或者使用两个输出极性相反的光电耦合器，组合成交流隔离电路。 逻辑电平转换： 从低压逻辑到高压逻辑： 利用光电耦合器的隔离和一定程度的放大作用，实现电平的提升。 从高压逻辑到低压逻辑： 配合电阻和稳压元件，实现电平的降低。 提高输出驱动能力： 使用光电达林顿晶体管型： 直接提供更大的输出电流。 外接驱动电路： 将光电耦合器作为触发信号，驱动更强大的晶体管或MOSFET来控制大功率负载。 第三章 光电耦合器在不同领域的典型应用 3.1 电源管理与隔离 开关电源（SMPS）的反馈隔离： PWM控制器反馈： 在反激式、正激式等开关电源中，利用光电耦合器将输出电压信息隔离地反馈给PWM控制器，实现精确的输出电压稳定。 过压/过流保护： 通过检测输出电压或电流，利用光电耦合器将保护信号隔离地传递给控制电路。 AC-DC和DC-DC转换器的隔离： 高压与低压部分的隔离： 确保用户安全，防止高压窜入低压控制电路。 差模和共模噪声的抑制： 通过隔离，有效降低噪声对电路性能的影响。 电池充电器和电源适配器： 提高产品的安全性，特别是在与市电连接的应用中。 3.2 通信与数据传输 RS-232/RS-485接口隔离： 防止共地电压差： 在长距离通信或多点连接时，接地电位差是常见问题。光电耦合器可以有效隔离这些电位差，保证数据传输的稳定性和准确性。 增强抗干扰能力： 隔离可以阻止通信线上的电磁干扰进入设备内部。 以太网隔离： 在一些工业以太网应用中，为了提高可靠性和安全性，会使用光电耦合器进行信号隔离。 USB隔离： 保护计算机免受USB设备引起的瞬态电压和噪声干扰，同时防止USB设备之间的接地环路。 3.3 工业控制与自动化 PLC（可编程逻辑控制器）输入/输出隔离： 输入端隔离： 隔离来自现场传感器（如开关、接近开关、限位开关）的各种信号，保护PLC内部的CPU。 输出端隔离： 隔离PLC的输出信号，用于驱动执行器（如继电器、接触器、电机控制器），保护PLC本身并隔离高压负载。 电机驱动与控制： 高压电机驱动： 隔离低压控制信号与高压大电流的电机驱动电路。 伺服系统控制： 在精密运动控制系统中，确保控制信号的完整性和抗干扰能力。 仪器仪表与测量设备： 隔离测量： 在测量高压或噪声环境中，保证测量结果的准确性和设备的安全。 数据采集系统的隔离： 保护数据采集卡和计算机不受被测设备的影响。 3.4 医疗电子设备 患者隔离： 保护患者免受电击： 在与人体接触的医疗设备中，如心电图仪、血压计等，光电耦合器用于隔离设备内部电路与患者身体之间的电连接，防止意外电流通过患者。 生物信号采集： 隔离微弱的生物电信号，防止噪声干扰，并保护操作人员。 医疗影像设备： X射线机、CT扫描仪等： 在高压大功率的医疗影像设备中，光电耦合器用于隔离控制和高压电路，确保设备运行的可靠性和安全性。 3.5 消费电子产品 家用电器控制： 如洗衣机、空调、微波炉等，利用光电耦合器实现面板按键信号的隔离，以及控制电路与电源电路的隔离。 LED照明驱动： 在一些LED驱动电源中，光电耦合器用于隔离反馈信号，提高恒流精度和稳定性。 第四章 光电耦合器的高级应用与未来发展 4.1 高速光电耦合器与数字隔离器 CMOS/LVDS隔离： 针对高速数字信号传输的需求，介绍具有更高传输速率、更低功耗和更好共模抑制能力的光电耦合器和专门的数字隔离器。 多通道隔离： 集成多个隔离通道的光电耦合器，简化设计，节省空间。 电容耦合隔离器（Capacitive Couplers）： 作为光电耦合器的替代方案，在某些应用中具有更高的速度和更长的寿命。 4.2 光电耦合器在嵌入式系统中的应用 微控制器（MCU）接口隔离： 方便地将MCU连接到各种外部环境，而无需担心干扰和安全问题。 传感器信号的可靠采集： 即使在恶劣环境下，也能保证传感器数据的准确传输。 4.3 光电耦合器面临的挑战与发展趋势 集成度的提高： 更多功能（如集成驱动电路、保护电路）集成到单个器件中。 性能的提升： 更高的传输速率、更低的功耗、更好的噪声抑制能力。 成本的降低： 随着技术的进步和市场的竞争，高性能隔离器件的成本也在逐步下降。 新材料与新工艺的应用： 探索更优化的光电器件和封装技术，以满足未来电子系统日益增长的隔离需求。 总结 光电耦合器作为一种成熟且不可或缺的电子元器件，在保障电路安全、提高系统可靠性和抗干扰能力方面发挥着核心作用。本书系统地介绍了光电耦合器的原理、分类、关键参数，并结合大量实际应用案例，为读者提供了详实的选型和电路设计指导。通过深入理解和灵活运用光电耦合器技术，工程师们能够设计出更安全、更稳定、更高效的各类电子系统。
最近我一直在研究工业控制领域，对可靠性和实时性有非常高的要求，所以寻觅了一本专注于《基于实时操作系统的分布式控制系统》的著作。这本书的深度和广度都让我非常折服。它没有停留在基础的RTOS内核讲解上（虽然也涵盖了但点到为止），而是直接切入到分布式系统中的一致性问题和故障恢复机制。作者大量引用了实际工业现场的案例，比如某大型生产线的同步问题、PLC之间的冗余备份策略等，这些实战经验的融入，让书本上的理论不再是纸上谈兵，而是可以直接拿来解决实际工程难题的“工具箱”。特别是它对时间触发（TT）和事件触发（ET）混合调度算法的分析，考虑到了系统在动态负载下的性能边界，这种对“硬实时”的极致追求，是其他偏向消费电子的教材里难以见到的。这本书的阅读门槛稍高，需要一定的控制理论基础，但对于希望在工业自动化领域深耕的人来说，它无疑是一盏指明灯，让人茅塞顿开。