光電耦合器

光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉換器件。它由發光源和受光器兩部分組成。把發光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內，彼此間用透明絕緣體隔離。發光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發光源為發光二極體，受光器為光敏二極體、光敏三極體等等。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極體型、光電三極體型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、集成電路型等。如下圖1（外形有金屬圓殼封裝，塑封雙列直插等）。

全稱

光電耦合器介面電路

簡介

光電耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光電耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極體（LED），使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由於光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。

比較器A1將ZDl(結點A)的參考電壓和通過分壓電路R7和R8的輸出電壓進行比較，因而控制Q2的導通狀態，可以定義發光二極體D1的電流和通過光耦合在光敏晶體管Q1的集電極電流。然後Q1定義脈衝寬度和輸出電壓，補償任何使輸出電壓改變的傾向。

隨著光電耦合器的使用時間增加和傳輸比即增益的下降，為了防止控制失靈，給Q2提供充足的驅動電流裕量是很有必要的。

光電耦合器實物圖

光電耦合器的種類較多，常見有光電二極體型、光電三極體型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、集成電路型等。（外形有金屬圓殼封裝，塑封雙列直插等）。

在光電耦合器輸入端加電信號使發光源發光，光的強度取決於激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現了電一光一電的轉換。基本工作特性（以光敏三極體為例）

1、共模抑制比很高

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

光電耦合器的輸出特性是指在一定的發光電流IF下，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關係，當IF=0時，發光二極體不發光，此時的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。當IF>0時，在一定的IF作用下，所對應的IC基本上與VCE無關。IC與IF之間的變化成線性關係，用半導體管特性圖示儀測出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極體輸出特性相似。其測試連線如圖2，圖中D、C、E三根線分別對應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。

在發光二極體上提供一個偏置電流，再把信號電壓通過電阻耦合到發光二極體上，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，其輸出電流將隨輸入的信號電壓作線性變化。光電耦合器也可工作於開關狀態，傳輸脈衝信號。在傳輸脈衝信號時，輸入信號和輸出信號之間存在一定的延遲時間，不同結構的光電耦合器輸入、輸出延遲時間相差很大。

光電耦合器的測試

1、用萬用表判斷好壞，如圖3，斷開輸入端電源，用R×1k檔測1、2腳電阻，正向電阻為幾百歐，反向電阻幾十千歐，3、4腳間電阻應為無限大。1、2腳與3、4腳間任意一組，阻值為無限大，輸入端接通電源后，3、4腳的電阻很小。調節RP，3、4間腳電阻發生變化，說明該器件是好的。註：不能用R×10k檔，否則導致發射管擊穿。

2、簡易測試電路，如圖（4），當接通電源后，LED不發光，按下SB，LED會發光，調節RP、LED的發光強度會發生變化，說明被測光電耦合器是好的。

光電耦合器具體應用

1.組成開關電路

圖1電路中，當輸入信號ui為低電平時，晶體管V1處於截止狀態，光電耦合器B1中發光二極體的電流近似為零，輸出端Q11、Q12間的電阻很大，相當於開關“斷開”；當ui為高電平時，v1導通，B1中發光二極體發光，Q11、Q12間的電阻變小，相當於開關“接通”．該電路因Ui為低電平時，開關不通，故為高電平導通狀態．同理，圖2電路中，因無信號(Ui為低電平)時，開關導通，故為低電平導通狀態．

2．組成邏輯電路

圖3電路為“與門”邏輯電路。其邏輯表達式為P=A．B.圖中兩隻光敏管串聯，只有當輸入邏輯電平A=1、B=1時，輸出P=1．同理，還可以組成“或門”、“與非門”、“或非門”等邏輯電路．

3．組成隔離耦合電路

電路如圖4所示．這是一個典型的交流耦合放大電路．適當選取發光迴路限流電阻Rl，使B4的電流傳輸比為一常數，即可保證該電路的線性放大作用。

4．組成高壓穩壓電路

電略如圖5所示．驅動管需採用耐壓較高的晶體管(圖中驅動管為3DG27)。當輸出電壓增大時，V55的偏壓增加，B5中發光二極體的正向電流增大，使光敏管極間電壓減小，調整管be結偏壓降低而內阻增大，使輸出電壓降低，而保持輸出電壓的穩定。

5.組成門廳照明燈自動控制電路

電路如圖6所示。A是四組模擬電子開關（S1~S4）：S1，S2，S3並聯（可增加驅動功率及抗干擾能力）用於延時電路，當其接通電源后經R4，B6驅動雙向可控硅VT，VT直接控制門廳照明燈H；S4與外接光敏電阻Rl等構成環境光線檢測電路。當門關閉時，安裝在門框上的常閉型干簧管KD受到門上磁鐵作用，其觸點斷開，S1，S2，S3處於數據開狀態。晚間主人回家打開門，磁鐵遠離KD，KD觸點閉合。此時9V電源整流后經R1向C1充電，C1兩端電壓很快上升到9V，整流電壓經S1，S2，S3和R4使B6內發光管發光從而觸發雙向可控硅導通，VT亦導通，H點亮，實現自動照明控制作用。房門關閉后，磁鐵控制KD，觸點斷開，9V電源停止對C1充電，電路進入延時狀態。C1開始對R3放電，經一段時間延遲后，C1兩端電壓逐漸下降到S1，S2，S3的開啟電壓（1.5v)以下，S1，S2，S3恢復斷開狀態，導致B6截止，VT亦截止，H熄來，實現延時關燈功能。

（1）用萬用表判斷好壞，如圖3，斷開輸入端電源，用R×1k檔測1、2腳電阻，正向電阻為幾百歐，反向電阻幾十千歐，3、4腳間電阻應為無限大。1、2腳與3、4腳間任意一組，阻值為無限大，輸入端接通電源后，3、4腳的電阻很小。調節RP，3、4間腳電阻發生變化，說明該器件是好的。註：不能用R×10k檔，否則導致發射管擊穿。

（2）簡易測試電路，如圖（4），當接通電源后，LED不發光，按下SB，LED會發光，調節RP、LED的發光強度會發生變化，說明被測光電耦合器是好的。

開關電路

圖1

對於開關電路，往往要求控制電路和開關電路之間要有很好的電隔離，這對於一般的電子開關來說是很難做到的，但採用光電耦合器就很容易實現了。圖1中（a）所示電路就是用光電耦合器組成的簡單開關電路。

在圖1（a）中，當無脈衝信號輸入時，三極體BG處於截止狀態，發光二極體無電流流過不發光，則a、b兩端電阻非常大，相當於開關“斷開”。當輸入端加有脈衝信號時，BG導通，發光二極體發光，則a、b兩端電阻變得很小，相當於開關“接通”。故稱無信號時開關不通，為常開狀態。

圖1中（b）所示電路則為“常閉”狀態，因為無信號輸入時，雖BG截止，但發光二極體有電流通過而發光，使a、b兩端處於導通狀態，相當於開關“接通”。當有信號輸入時，BG導通，由於BG的集電結壓降在0．3V以下，遠小於發光二極體的正嚮導通電壓，所以發光二極體無電流流過不發光，則a、b兩端電阻極大，相當於開關“斷開”，故稱“常閉”式。

可見，開關a、b端在電路中不受電位高低的限制，但在使用中應滿足a端電位為正，b端為負，並使U&ab>3V為好，同時還應注意Uab應小於光電三極體的BVceo。

依據圖1的原理，光電耦合器可以組成如圖2中（a）、（b）等多種形式。

圖2

圖2中（a）為單刀雙擲開關電路，其中外接二極體D的作用，是保證輸入正脈衝信號時“oa”組接通，“ob”組關斷。圖中（b）為雙刀雙擲開關電路，無輸入信號時，BG截止，“ob”與“od”組斷開，“oa”與“oc”組接通；BG導通（即有信號輸入時），“ob”與“od”組接通，而“oa”與“oc”組斷開。它們適於自動控制和遙控設備中使用。

光耦合的可控硅開關

圖3

圖3中（a）所示電路為光耦合器構成的可控硅開關電路。可控硅SCR的觸發電壓取自電阻R，其大小由通過光電三極體的電流決定，直接由輸入電壓控制。該電路簡單，控制端與輸出端有可靠的電隔離。

圖3中（b）所示電路，為控制負載為純電阻（如白熾燈泡）的開關電路，圖中R1的阻值由下式確定：R1=V/1．2A，1．2A為雙向開關的額定電流。當主電網電壓為220V時，V=/2·220=308V，則R1=308/1．2=250Ω．所以，可控硅SCR的規格應依R1的大小進行選擇。

當開關電路的負載為感性負載（如電動機等），則由於流過感性負載（線圈）的電流與電壓的相位不同，需增加相應元件，方能保證開關電路的正常工作，如圖46?所示。

圖中雙向可控硅SCR的觸發電流，是由R3與C的不同數值而決定的。

表46—1 IG、R3及三者關係表

/IG(Ma)/R3(kΩ)/C(μF)

/15/2.4/0.1

/30/1.2/0.2

/50/0.8/0.3/

圖4的開關電路，特別適於遙控時選用。

圖4

用於雙穩態輸出的光耦合

圖5中（a）所示電路，為光電耦合器控制的雙穩態輸出開關電路，它的特點是由於光電耦合開關接在兩管的發射極迴路上，故能有效地解決輸出與負載間的隔離問題。

圖5（a）

圖5 （b）

圖5中（b）所示電路為光電耦合開關的施密特電路。當輸入電壓U1為低電平時，光電三極體C、e間呈高電阻，BG1導通，BG2截止，則輸出電壓U0為低電平；當輸入電壓U1大於鑒幅值時，光電三極體c、e間呈低電阻，則BG1截止，BG2導通，輸出的電壓U0為高電平。調節電阻R3，即改變鑒幅電平。

電平轉換電路

圖6

對於不同電平的轉換電路或輸入、輸出電路的電位需要分開時，採用光電耦合器就顯得十分方便了。

中圖6的（a）與（b）圖示電路，就是5V電源的TTL集成電路與15V電源的HTL集成電路，相互連接進行電平轉換的基本電路。

圖（a）中，TTL門電路導通時，即輸出低電平，發光二極體導通，光電三極體輸出高電平；TTL門電路截止時，發光二極體截止，光電三極體輸出低電平。

圖（b）中，則是利用TTL截止輸出高電平，發光二極體導通，光電三極體輸出低電平；TTL導通輸出低電平，發光二極體截止，光電三極體輸出高電平。

在進行具體應用時，因CMOS集成電路在低電平時的電流只有1～2mA，難以直接驅動所接的負載，故一般需加一級三極體放大電路來驅動。

高壓穩壓電路

圖7

串聯型穩壓電路，比較放大管需選用耐壓高的三極體，若利用光電耦合器的輸入與輸出間絕緣良好的特點，便可實現高壓控制。

圖7中的（a）與（b）所示的電路，就是利用光電耦合器的高壓穩壓電路。

圖（a）中，當輸出電壓因某種原因導致升高時，則BG5的偏壓增加，發光二極體的正向電流增大，使光電三極體集電結電壓減小，即引起調整管BG1發射結電壓下降，其集電結電壓上升，從而使原來升高的輸出電壓減小，保持輸出電壓的穩定。BG3管為限流保護電路。光電耦合器是工作在放大狀態的。圖（b）的工作原理與圖（a）相同。

具有體積小、使用壽命長、工作溫度範圍寬、抗干擾性能強．無觸點且輸入與輸出在電氣上完全隔離等。

光電耦合器的測試

1、用萬用表判斷好壞，如圖3，斷開輸入端電源，用R×1k檔測1、2腳電阻，正向電阻為幾百歐，反向電阻幾十千歐，3、4腳間電阻應為無限大。1、2腳與3、4腳間任意一組，阻值為無限大，輸入端接通電源后，3、4腳的電阻很小。調節RP，3、4間腳電阻發生變化，說明該器件是好的。註：不能用R×10k檔，否則導致發射管擊穿。

2、簡易測試電路，如圖（4），當接通電源后，LED不發光，按下SB，LED會發光，調節RP、LED的發光強度會發生變化，說明被測光電耦合器是好的。

由於光電耦合器的品種和類型非常多，在光電子DATA手冊中，其型號超過上千種，通常可以按以下方法進行分類：

按光路徑分

可分為外光路光電耦合器（又稱光電斷續檢測器）和內光路光電耦合器。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，其中包括光敏二極體輸出型，光敏三極體輸出型，光電池輸出型，光可控硅輸出型等。 b、NPN三極體輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型，互補輸出型等。

c、達林頓三極體輸出型，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，施密特觸發輸出型，三態門電路輸出型等。

e、低導通輸出型（輸出低電平毫伏數量級）。

f、光開關輸出型（導通小於小於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。按傳輸信號分可分為數字型光電耦合器（OC門輸出型，圖騰柱輸出型及三態門電路輸出型等）和線性光電耦合器（可分為低漂移型，高線性型，寬頻型，單電源型，雙電源型等）。按速度分可分為低速光電耦合器（光敏三極體、光電池等輸出型）和高速光電耦合器（光敏二極體帶信號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（一般光學膠灌封低於5000V，空封低於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（一般大於30V）。

具體應用

1.組成開關電路 圖1電路中，當輸入信號ui為低電平時，晶體管V1處於截止狀態，光電耦合器B1中發光二極體的電流近似為零，輸出端Q11、Q12間的電阻很大，相當於開關“斷開”；當ui為高電平時，v1導通，B1中發光二極體發光，Q11、Q12間的電阻變小，相當於開關“接通”．該電路因Ui為低電平時，開關不通，故為高電平導通狀態．同理，圖2電路中，因無信號(Ui為低電平)時，開關導通，故為低電平導通狀態。

2．組成邏輯電路 圖3電路為“與門”邏輯電路。其邏輯表達式為P=A．B.圖中兩隻光敏管串聯，只有當輸入邏輯電平A=1、B=1時，輸出P=1．同理，還可以組成“或門”、“與非門”、“或非門”等邏輯電路。

3．組成隔離耦合電路 電路如圖4所示．這是一個典型的交流耦合放大電路．適當選取發光迴路限流電阻Rl，使B4的電流傳輸比為一常數，即可保證該電路的線性放大作用。4．組成高壓穩壓電路電路如圖5所示．驅動管需採用耐壓較高的晶體管(圖中驅動管為3DG27)。當輸出電壓增大時，V55的偏壓增加，B5中發光二極體的正向電流增大，使光敏管極間電壓減小，調整管be結偏壓降低而內阻增大，使輸出電壓降低，而保持輸出電壓的穩定。

5.組成門廳照明燈自動控制電路A是四組模擬電子開關（S1~S4）：S1，S2，S3並聯（可增加驅動功率及抗干擾能力）用於延時電路，當其接通電源后經R4，B6驅動雙向可控硅VT，VT直接控制門廳照明燈H；S4與外接光敏電阻Rl等構成環境光線檢測電路。當門關閉時，安裝在門框上的常閉型干簧管KD受到門上磁鐵作用，其觸點斷開，S1，S2，S3處於數據開狀態。晚間主人回家打開門，磁鐵遠離KD，KD觸點閉合。此時9V電源整流后經R1向C1充電，C1兩端電壓很快上升到9V，整流電壓經S1，S2，S3和R4使B6內發光管發光從而觸發雙向可控硅導通，VT亦導通，H點亮，實現自動照明控制作用。房門關閉后，磁鐵控制KD，觸點斷開，9V電源停止對C1充電，電路進入延時狀態。C1開始對R3放電，經一段時間延遲后，C1兩端電壓逐漸下降到S1，S2，S3的開啟電壓（1.5v)以下，S1，S2，S3恢復斷開狀態，導致B6截止，VT亦截止，H熄來，實現延時關燈功能。

選取原則

在設計光耦光電隔離電路時必須正確選擇光耦合器的型號及參數，選取原則如下：

(1)由於光電耦合器為信號單向傳輸器件，而電路中數據的傳輸是雙向的，電路板的尺寸要求一定，結合電路設計的實際要求，就要選擇單晶元集成多路光耦的器件；

(2)光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許範圍是不小於500%。因為當CTR<500%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流(>5.0 mA)，才能保證信號在長線傳輸中不發生錯誤，這會增大光耦的功耗；

(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，光耦開關速度過慢，無法對輸入電平做出正確反應，會影響電路的正常工作。

(4)推薦採用線性光耦。其特點是CTR值能夠在一定範圍內做線性調整。設計中由於電路輸入輸出均是一種高低電平信號，故此，電路工作在非線性狀態。而在線性應用中，因為信號不失真的傳輸，所以，應根據動態工作的要求，設置合適的靜態工作點，使電路工作在線性狀態。

通常情況下，單晶元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佔用很大布板面積，也使得設計的成本大大增加。