光電耦合器*概述

　　光電耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管。

　　光電耦合器對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類*多、用途*廣的光電器件之一。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等。(外形有金屬圓殼封裝，塑封雙列直插等)。

　　光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。

　　光電耦合器是一種發(fā)光器件和光敏器件組成的光電器件。它能實(shí)現(xiàn)電—光—電信號(hào)的變換,并且輸入信號(hào)與輸出信號(hào)是隔離的。目前極大多數(shù)的光耦輸入部分采用砷化鎵紅外發(fā)光二極管,輸出部分采用硅光電二極管、硅光電三極管及光觸發(fā)可控硅。這是因?yàn)榉逯挡ㄩL(zhǎng)900～940nm的砷化鎵紅外發(fā)光二極管能與硅光電器件的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)相吻合,可獲得較高的信號(hào)傳輸效率。

　　光電耦合器*工作原理

　　在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。

　　光電耦合器*特性

　　以光敏三極管為例：

　　1、共模抑制比很高

　　在光電耦合器內(nèi)部，由于發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很小(2pF以內(nèi))所以共模輸入電壓通過極間耦合電容對(duì)輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。

　　2、輸出特性

　　光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流IF下，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關(guān)系，當(dāng)IF=0時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時(shí)的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。當(dāng)IF>0時(shí)，在一定的IF作用下，所對(duì)應(yīng)的IC基本上與VCE無(wú)關(guān)。IC與IF之間的變化成線性關(guān)系，用半導(dǎo)體管特性圖示儀測(cè)出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極管輸出特性相似。其測(cè)試連線如圖2，圖中D、C、E三根線分別對(duì)應(yīng)B、C、E極，接在儀器插座上。

　　3、光電耦合器可作為線性耦合器使用。

　　在發(fā)光二極管上提供一個(gè)偏置電流，再把信號(hào)電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號(hào)，其輸出電流將隨輸入的信號(hào)電壓作線性變化。光電耦合器也可工作于開關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖信號(hào)。在傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間存在一定的延遲時(shí)間，不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器輸入、輸出延遲時(shí)間相差很大。

　　光電耦合器*分類

　　由于光電耦合器的品種和類型非常多，在光電子DATA手冊(cè)中，其型號(hào)超過上千種，通?？梢园匆韵路椒ㄟM(jìn)行分類：

　　按光路徑分

　　可分為外光路光電耦合器(又稱光電斷續(xù)檢測(cè)器)和內(nèi)光路光電耦合器。外光路光電耦合器又分為透過型和反射型光電耦合器。

　　按輸出形式分

　　a、光敏器件輸出型，其中包括光敏二極管輸出型，光敏三極管輸出型，光電池輸出型，光可控硅輸出型等。

　　b、NPN三極管輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型，互補(bǔ)輸出型等。

　　c、達(dá)林頓三極管輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型。

　　d、邏輯門電路輸出型，其中包括門電路輸出型，施密特觸發(fā)輸出型，三態(tài)門電路輸出型等。

　　e、低導(dǎo)通輸出型(輸出低電平毫伏數(shù)量級(jí))。

　　f、光開關(guān)輸出型(導(dǎo)通電阻小余10Ω)。

　　g、功率輸出型(IGBT/MOSFET等輸出)。

　　按封裝形式分

　　可分為同軸型，雙列直插型，TO封裝型，扁平封裝型，貼片封裝型，以及光纖傳輸型等。

　　按傳輸信號(hào)分

　　可分為數(shù)字型光電耦合器(OC門輸出型，圖騰柱輸出型及三態(tài)門電路輸出型等)和線性光電耦合器(可分為低漂移型，高線性型，寬帶型，單電源型，雙電源型等)。

　　按速度分

　　可分為低速光電耦合器(光敏三極管、光電池等輸出型)和高速光電耦合器(光敏二極管帶信號(hào)處理電路或者光敏集成電路輸出型)。

　　按通道分

　　可分為單通道，雙通道和多通道光電耦合器。

　　按隔離特性分

　　可分為普通隔離光電耦合器(一般光學(xué)膠灌封低于5000V，空封低于2000V)和高壓隔離光電耦合器(可分為10kV,20kV,30kV等)。

　　按工作電壓分

　　可分為低電源電壓型光電耦合器(一般5～15V)和高電源電壓型光電耦合器(一般大于30V)。

　　光電耦合器*優(yōu)點(diǎn)

　　光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸 效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來(lái)產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔 離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu) 成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。

　　(1) 能夠有效抑制接地回路的噪聲，消除地干擾，使信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)與主控制端在電氣上完 全隔離，避免了主控制系統(tǒng)受到意外損壞。

　　(2) 可以在不同電位和不同阻抗之間傳輸電信號(hào)，且對(duì)信號(hào)具有放大和整形等功能， 使得實(shí)際電路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。

　　(3) 開關(guān)速度快，高速光電耦合器的響應(yīng)速度到達(dá)ns數(shù)量級(jí)，極大的拓展了光電耦合 器在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用。

　　(4) 體積小，器件多采用雙列直插封裝，具有單通道、雙通道以及多達(dá)八通道等多種 結(jié)構(gòu)，使用十分方便。

　　(5) 可替代變壓器隔離，不會(huì)因觸點(diǎn)跳動(dòng)而產(chǎn)生尖峰噪聲，且抗震動(dòng)和抗沖擊能力強(qiáng)。

　　(6) 高線性型光電耦合器除了用于電源監(jiān)測(cè)等，還被用于醫(yī)用設(shè)備，能有效地保護(hù)病 人的人生**。

　　光電耦合器*抗干擾技術(shù)

　　光電耦合器之所以在傳輸信號(hào)的同時(shí)能有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，使通道上的信號(hào)噪聲比大為提高，主要有以下幾方面的原因： (1)光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105～106Ω。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電壓會(huì)很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉了。

　　(2)光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地;之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號(hào)的產(chǎn)生。

　　(3)光電耦合器可起到很好的**保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表。因?yàn)楣怦詈掀骷妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g可以承受幾千伏的高壓。

　　(4)光電耦合器的響應(yīng)速度極快，其響應(yīng)延遲時(shí)間只有10μs左右，適于對(duì)響應(yīng)速度要求很高的場(chǎng)合。

　　光電耦合器*作用

　　(1) 在邏輯電路上的應(yīng)用 光電耦合器可以構(gòu)成各種邏輯電路，由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比 晶體管好，因此，由它構(gòu)成的邏輯電路更 可靠。

　　(2) 作為固體開關(guān)應(yīng)用 在開關(guān)電路中，往往要求控制電路和開關(guān)之間要有很好的電隔離，對(duì)于一般的電 子開關(guān)來(lái)說是很難做到的，但用光電耦合 器卻很容易實(shí)現(xiàn)。

　　(3) 在觸發(fā)電路上的應(yīng)用 將光電耦合器用于雙穩(wěn)態(tài)輸出電路，由于可以把發(fā)光二極管分別串入兩管發(fā)射極 回路，可有效地解決輸出與負(fù)載隔離地問 題。

　　(4) 在脈沖放大電路中的應(yīng)用 光電耦合器應(yīng)用于數(shù)字電路，可以將脈沖信號(hào)進(jìn)行放大。

　　(5) 在線性電路上的應(yīng)用 線性光電耦合器應(yīng)用于線性電路中，具有較高地線性度以及優(yōu)良地電隔離性能。

　　(6) 特殊場(chǎng)合的應(yīng)用 光電耦合器還可應(yīng)用于高壓控制，取代變壓器，代替觸點(diǎn)繼電器以及用于A/D電路 等多種場(chǎng)合。

　　光電耦合器*應(yīng)用

　　1 微機(jī)接口電路中的光電隔離

　　微機(jī)有多個(gè)輸入端口，接收來(lái)自遠(yuǎn)處現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳來(lái)的狀態(tài)信號(hào)，微機(jī)對(duì)這些信號(hào)處理后，輸出各種控制信號(hào)去執(zhí)行相應(yīng)的操作。在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較惡劣時(shí)，會(huì)存在較大的噪聲干擾，若這些干擾隨輸入信號(hào)一起進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，會(huì)使控制準(zhǔn)確性降低，產(chǎn)生誤動(dòng)作。因而，可在微機(jī)的輸入和輸出端，用光耦作接口，對(duì)信號(hào)及噪聲進(jìn)行隔離。典型的光電耦合電路如圖2所示。

　　該電路主要應(yīng)用在"A/D轉(zhuǎn)換器"的數(shù)字信號(hào)輸出，及由CPU發(fā)出的對(duì)前向通道的控制信號(hào)與模擬電路的接口處，從而實(shí)現(xiàn)在不同系統(tǒng)間信號(hào)通路相聯(lián)的同時(shí)，在電氣通路上相互隔離，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)將模擬電路和數(shù)宇電路相互隔離，起到抑制交叉串?dāng)_的作用。

　　對(duì)于線性模擬電路通道，要求光電耦合器必須具有能夠進(jìn)行線性變換和傳輸?shù)奶匦?，或選擇對(duì)管，采用互補(bǔ)電路以提高線性度，或用V/P變換后再用數(shù)字光耦進(jìn)行隔離。

　　2 功率驅(qū)動(dòng)電路中的光電隔離

　　在微機(jī)控制系統(tǒng)中，大量應(yīng)用的是開關(guān)量的控制，這些開關(guān)量一般經(jīng)過微機(jī)的I/O輸出，而I/O的驅(qū)動(dòng)能力有限，一般不足以驅(qū)動(dòng)一些點(diǎn)磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動(dòng)接口電路，為避免微機(jī)受到干擾，須采取隔離措施。如晶閘管所在的主電路一般是交流強(qiáng)電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機(jī)直接相連，可應(yīng)用光耦合器將微機(jī)控制信號(hào)與晶閘管觸發(fā)電路進(jìn)行隔離電路。

　　在馬達(dá)控制電路中，也可采用光耦來(lái)把控制電路和馬達(dá)高壓電路隔離開。馬達(dá)靠MOSFET或IGBT功率管提供驅(qū)動(dòng)電流，功率管的開關(guān)控制信號(hào)和大功率管之間需隔離放大級(jí)。在光耦隔離級(jí)一放大器級(jí)一大功率管的連接形式中，要求光耦具有高輸出電壓、高速和高共模抑制。

　　3 遠(yuǎn)距離的隔離傳送

　　在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，由于測(cè)控系統(tǒng)與被測(cè)和被控設(shè)備之間不可避免地要進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸，信號(hào)在傳輸過程中很易受到干擾，導(dǎo)致傳輸信號(hào)發(fā)生畸變或失真，另外，在通過較長(zhǎng)電纜連接的相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間，常因設(shè)備間的地線電位差，導(dǎo)致地環(huán)路電流，對(duì)電路形成差模干擾電壓。為確保長(zhǎng)線傳輸?shù)目煽啃?，可采用光電耦合隔離措施，將2個(gè)電路的電氣連接隔開，切斷可能形成的環(huán)路，使他們相互獨(dú)立，提高電路系統(tǒng)的抗干擾性能。若傳輸線較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重，可通過兩級(jí)光電耦合器將長(zhǎng)線完全"浮置"起來(lái)，

　　長(zhǎng)線的"浮置"去掉了長(zhǎng)線兩端間的公共地線，不但有效消除了各電路的電流經(jīng)公共地線時(shí)所產(chǎn)生噪聲電壓形成相互竄擾，而且也有效地解決了長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)和阻抗匹配問題;同時(shí)，受控設(shè)備短路時(shí)，還能保護(hù)系統(tǒng)不受損害。

　　4 過零檢測(cè)電路中的光電隔離

　　零交叉，即過零檢測(cè)，指交流電壓過零點(diǎn)被自動(dòng)檢測(cè)進(jìn)而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電子開關(guān)在此時(shí)刻開始開通?，F(xiàn)代的零交叉技術(shù)已與光電耦合技術(shù)相結(jié)合。有一種為一種單片機(jī)數(shù)控交流調(diào)壓器中可使用的過零檢測(cè)電路。

　　220V交流電壓經(jīng)電阻R1限流后直接加到2個(gè)反向并聯(lián)的光電耦合器GD1，GD2的輸入端。在交流電源的正負(fù)半周，GD1和GD2分別導(dǎo)通，U0輸出低電平，在交流電源正弦波過零的瞬間，GD1和GD2均不導(dǎo)通，U0輸出高電平。該脈沖信號(hào)經(jīng)非門整形后作為單片機(jī)的中斷請(qǐng)求信號(hào)和可控硅的過零同步信號(hào)。

　　光電耦合器*選型指南

　　在設(shè)計(jì)光耦光電隔離電路時(shí)必須正確選擇光耦合器的型號(hào)及參數(shù)，選取原則如下：

　　(1)由于光電耦合器為信號(hào)單向傳輸器件，而電路中數(shù)據(jù)的傳輸是雙向的，電路板的尺寸要求一定，結(jié)合電路設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，就要選擇單芯片集成多路光耦的器件;

　　(2)光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是不小于500%。因?yàn)楫?dāng)CTR<500%時(shí)，光耦中的LED就需要較大的工作電流(>5.0 mA)，才能保證信號(hào)在長(zhǎng)線傳輸中不發(fā)生錯(cuò)誤，這會(huì)增大光耦的功耗;

　　(3)光電耦合器的傳輸速度也是選取光耦必須遵循的原則之一，光耦開關(guān)速度過慢，無(wú)法對(duì)輸入電平做出正確反應(yīng)，會(huì)影響電路的正常工作。

　　(4)推薦采用線性光耦。其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。設(shè)計(jì)中由于電路輸入輸出均是一種高低電平信號(hào)，故此，電路工作在非線性狀態(tài)。而在線性應(yīng)用中，因?yàn)樾盘?hào)不失真的傳輸，所以，應(yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)工作的要求，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路工作在線性狀態(tài)。 通常情況下，單芯片集成多路光耦的器件速度都比較慢，而速度快的器件大多都是單路的，大量的隔離器件需要占用很大布板面積，也使得設(shè)計(jì)的成本大大增加。

　　光電耦合器*使用注意事項(xiàng)

　　(1) 在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)立的電源，若兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。

　　(2) 當(dāng)用光電耦合起來(lái)隔離輸入輸出通道室，必須對(duì)所有的信號(hào)(包括數(shù)字量信號(hào)、控制量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào))全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒有意義的。