光电耦合器

　　简介
　　光电耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光电耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
　　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。
　　图1显示了一个典型的光电耦合器驱动电路。在该例中，右边的5V副边输出将会被左边原边电路的脉宽调制器控制。
　　比较器A1将ZDl(结点A)的参考电压和通过分压电路R7和R8的输出电压进行比较，因而控制Q2的导通状态，可以定义发光二极管D1的电流和通过光耦合在光敏晶体管Q1的集电极电流。然后Q1定义脉冲宽度和输出电压，补偿任何使输出电压改变的倾向。
　　随着光电耦合器的使用时间增加和传输比即增益的下降，为了防止控制失灵，给Q2提供充足的驱动电流裕量是很有必要的。
　　光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。（外形有金属圆壳封装，塑封双列直插等）。

　　基本原理
　　在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。
　　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。
　　基本工作特性（光敏三极管）
　　1、共模抑制比很高
　　在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。
　　2、输出特性
　　光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。当IF>0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。其测试连线如图2，图中D、C、E三根线分别对应B、C、E极，接在仪器插座上。
　　3、隔离特性
　　1．隔离电压Vio（Isolation Voltage）
　　光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。
　　2．隔离电容Cio（Isolation Capacitance）：
　　光耦合器件输入端和输出端之间的电容值
　　3．隔离电阻Rio：（Isolation Resistance）
　　半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。
　　4、传输特性：
　　1．电流传输比CTR（Current Transfer Radio）
　　输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。
　　2．上升时间Tr （Rise Time）& 下降时间Tf（Fall Time）
　　光电耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%，所需时间为脉冲上升时间tr。从输出脉冲后沿幅度的90%到10%，所需时间为脉冲下降时间tf。
　　其它参数诸如工作温度、耗散功率等不再一一复述。
　　5、光电耦合器可作为线性耦合器使用。
　　在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。

　　日本光电耦合器的市场虽不太大 , 但却以 40 %的年增长率增大, 其主要原因是每一个程序控制器里都要用到 20～ 30 个甚至更多的光电耦合器 。现在, 光电耦合器已显示出一种朝大容量和高速度方向发展的明显趋势 。美 、 日两国生产的光电耦合器以红外发光二极管和光敏器件管组成的器件为主 ,该类器件大约占整个美 、 日两国生产的全部光电耦合器的 60 %左右。因为这种类型的器件不仅电流传输效率高 ( 一般为 7 ～ 30%), 而且响应速度比较快( 2～ 5μ s), 因而能够满足大多数应用场合要求 。[1]
　　近几年来, 国内有关单位投入大量人力物力也研究和开发了各种光电耦合器件。如上海半导体器件八厂 、上海无线电十七厂等。而重庆光电技术研究所为了适应市场需要研制出了一种由高速响应发光器件和逻辑输出型光接收放大器组成的厚膜集成双路高速高增益光电耦合器。这种光电耦合器的输入端由两只 GaAlAs 侧面发光管组成, 其输出端由两只 Si —PIN光电探测器以及两个高速高增益线性放大电路组成 。重庆光电技术研究所还研制出了高速高压光电耦合器 、GG2150I型射频信号光电耦合器 、GG2060I 型高压脉冲测量光电耦合器 、GH1204U 型高压传输光电耦合器以及 GH1201Y型 和 GOHQ—I型光电耦合器 等。

　　、 必须加反向电压；
　　第二、光敏晶体管管壳必须保持清洁。

　　在设计光耦光电隔离电路时必须正确选择光耦合器的型号及参数，选取原则如下：
　　(1)由于光电耦合器为信号单向传输器件，而电路中数据的传输是双向的，电路板的尺寸要求一定，结合电路设计的实际要求，就要选择单芯片集成多路光耦的器件。
　　(2)光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是不小于500%。因为当CTR<500%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流(>5.0 mA)，才能保证信号在长线传输中不发生错误，这会增大光耦的功耗。
　　(3)光电耦合器的传输速度也是选取光耦必须遵循的原则之一，光耦开关速度过慢，无法对输入电平做出正确反应，会影响电路的正常工作。
　　(4)推荐采用线性光耦。其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。设计中由于电路输入输出均是一种高低电平信号，故此，电路工作在非线性状态。而在线性应用中，因为信号不失真的传输，所以，应根据动态工作的要求，设置合适的静态工作点，使电路工作在线性状态。
　　通常情况下，单芯片集成多路光耦的器件速度都比较慢，而速度快的器件大多都是单路的，大量的隔离器件需要占用很大布板面积，也使得设计的成本大大增加。在设计中，受电路板尺寸、传输速度、设计成本等因素限制，无法选用速度上非常占优势的单路光耦器件，在此选用TOSHIBA公司的TLP521-4。

　　由于光电耦合器的品种和类型非常多，在光电子DATA手册中，其型号超过上千种，通常可以按以下方法进行分类：
　　按光路径分
　　可分为外光路光电耦合器（又称光电断续检测器）和内光路光电耦合器。外光路光电耦合器又分为透过型和反射型光电耦合器。
　　按输出形式分
　　a、光敏器件输出型，其中包括光敏二极管输出型，光敏三极管输出型，光电池输出型，光可控硅输出型等。
　　b、NPN三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型，互补输出型等。
　　c、达林顿三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型。
　　d、逻辑门电路输出型，其中包括门电路输出型，施密特触发输出型，三态门电路输出型等。
　　e、低导通输出型（输出低电平毫伏数量级）。
　　f、光开关输出型（导通电阻小余10Ω）。
　　g、功率输出型（IGBT/MOSFET等输出）。
　　按封装形式分
　　可分为同轴型，双列直插型，TO封装型，扁平封装型，贴片封装型，以及光纤传输型等。
　　按传输信号分
　　可分为数字型光电耦合器（OC门输出型，图腾柱输出型及三态门电路输出型等）和线性光电耦合器（可分为低漂移型，高线性型，宽带型，单电源型，双电源型等）。
　　按速度分
　　可分为低速光电耦合器（光敏三极管、光电池等输出型）和高速光电耦合器（光敏二极管带信号处理电路或者光敏集成电路输出型）。
　　按通道分
　　可分为单通道，双通道和多通道光电耦合器。
　　按隔离特性分
　　可分为普通隔离光电耦合器（一般光学胶灌封低于5000V，空封低于2000V）和高压隔离光电耦合器（可分为10kV,20kV,30kV等）。
　　按工作电压分
　　可分为低电源电压型光电耦合器（一般5～15V）和高电源电压型光电耦合器（一般大于30V）。

　　光电耦合器具体应用
　　组成开关电路
　　当输入信号ui为低电平时，晶体管V1处于截止状态，光电耦合器B1中发光二极管的电流近似为零，输出端Q11、Q12间的电阻很大，相当于开关“断开”；当ui为高电平时，v1导通，B1中发光二极管发光，Q11、Q12间的电阻变小，相当于开关“接通”．该电路因Ui为低电平时，开关不通，故为高电平导通状态．同理，图2电路中，因无信号(Ui为低电平)时，开关导通，故为低电平导通状态。
　　组成逻辑电路
　　电路“与门”逻辑电路。其逻辑表达式为P=A．B.两只光敏管串联，只有当输入逻辑电平A=1、B=1时，输出P=1。同理，还可以组成“或门”、“与非门”、“或非门”等逻辑电路。
　　隔离耦合电路
　　这是一个典型的交流耦合放大电路．适当选取发光回路限流电阻Rl，使B4的电流传输比为一常数，即可保证该电路的线性放大作用。
　　高压稳压电路
　　驱动管需采用耐压较高的晶体管(图中驱动管为3DG27)。当输出电压增大时，V55
　　的偏压增加，B5中发光二极管的正向电流增大，使光敏管极间电压减小，调整管be结偏压降低而内阻增大，使输出电压降低，而保持输出电压的稳定。
　　门厅照明灯自动控制电路
　　A是四组模拟电子开关（S1~S4）：S1，S2，S3并联（可增加驱动功率及抗干扰能力）用于延时电路，当其接通电源后经R4，B6驱动双向可控硅VT，VT直接控制门厅照明灯H；S4与外接光敏电阻Rl等构成环境光线检测电路。当门关闭时，安装在门框上的常闭型干簧管KD受到门上磁铁作用，其触点断开，S1，S2，S3处于数据开状态。晚间主人回家打开门，磁铁远离KD，KD触点闭合。此时9V电源整流后经R1向C1充电，C1两端电压很快上升到9V，整流电压经S1，S2，S3和R4使B6内发光管发光从而触发双向可控硅导通，VT亦导通，H点亮，实现自动照明控制作用。房门关闭后，磁铁控制KD，触点断开，9V电源停止对C1充电，电路进入延时状态。C1开始对R3放电，经一段时间延迟后，C1两端电压逐渐下降到S1，S2，S3的开启电压（1.5v)以下，S1，S2，S3恢复断开状态，导致B6截止，VT亦截止，H熄来，实现延时关灯功能。

　　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。
　　开关电路
　　对于开关电路，往往要求控制电路和开关电路之间要有很好的电隔离，这对于一般的电子开关来说是很难做到的，但采用光电耦合器就很容易实现了。图1中（a）所示电路就是用光电耦合器组成的简单开关电路。
　　在图1（a）中，当无脉冲信号输入时，三极管BG处于截止状态，发光二极管无电流流过不发光，则a、b两端电阻非常大，相当于开关“断开”。当输入端加有脉冲信号时，BG导通，发光二极管发光，则a、b两端电阻变得很小，
　　图1 相当于开关“接通”。故称无信号时开关不通，为常开状态。
　　图1中（b）所示电路则为“常闭”状态，因为无信号输入时，虽BG截止，但发光二极管有电流通过而发光，使a、b两端处于导通状态，相当于开关“接通”。当有信号输入时，BG导通，由于BG的集电结压降在0．3V以下，远小于发光二极管的正向导通电压，所以发光二极管无电流流过不发光，则a、b两端电阻极大，相当于开关“断开”，故称“常闭”式。
　　可见，开关a、b端在电路中不受电位高低的限制，但在使用中应满足a端电位为正，b端为负，并使U&ab>3V为好，同时还应注意Uab应小于光电三极管的BVceo。
　　依据图1的原理，光电耦合器可以组成如图2中（a）、（b）等多种形式。

　　结构
　　光电耦合器的主要结构是把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内 , 然后利用发光器件的管脚作输入端, 而把光接收器的管脚作为输出端 。当在输入端加电信号时,发光器件发光。这样,光接收器件由于光敏效应而在光照后产生光电流并由输出端输出。从而实现了以“光”为媒介的电信号传输 , 而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的 。这样就构成了一种中间通过光传输信号的新型半导体光电子器件。光电耦合器的封装形式一般有管形、双列直插式和光导纤维连接三种。具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强．无触点且输入与输出在电气上完全隔离等优点。
　　特点
　　光电耦合的主要特点如下 :
　　：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，光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒级。 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。
　　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。
　　输入和输出端之间绝缘 , 其绝缘电阻一般都大于 10Ω, 耐压一般可超过 1kV , 有的甚至可以达到 10kV 以上 。由于“光” 传输的单向性 , 所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象, 其输出信号也不会影响输入端。由于发光器件( 砷化镓红外二极管) 是阻抗电流驱动性器件 , 而噪音是一种高内阻微电流的电压信号 。因此光电耦合器件的共模抑制比很大 ,所以,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。
　　仪器测试编辑
　　光电耦合器的测试
　　1、用万用表判断好坏，如图3，断开输入端电源，用R×1k档测1、2脚电阻，正向电阻为几百欧，反向电阻几十千欧，3、4脚间电阻应为无限大。1、2脚与3、4脚间任意一组，阻值为无限大，输入端接通电源后，3、4脚的电阻很小。调节RP，3、4间脚电阻发生变化，说明该器件是好的。注：不能用R×10k档，否则导致发射管击穿。
　　2、简易测试电路，如图（4），当接通电源后，LED不发光，按下SB，LED会发光，调节RP、LED的发光强度会发生变化，说明被测光电耦合器是好的。

　　光电耦合器在多种电子设备中的应用非常广泛。随着数字通信技术的迅速发展以及光隔离器和固体继电器等自动控制部件在机械工业中的应用不断扩大, 特别是微处理机在各个领域中的应用推广( 有时一台微机上的用量可达十几个甚至上百个) 和产品性能的逐步提高, 光电耦合器的应用市场将日益扩大, 同时, 其社会效益和经济效益也会十分显著 。今后, 光电耦合器将向高速化、高性能, 小体积, 轻重量的方向发展。