光電耦合器選取原則

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(shù)，選取原則如下:

(1)由于光電耦合器為信號單向傳輸器件，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，結合電路設計的實際要求，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(fā)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)推薦采用線性光耦。其特點是CTR值能夠在一定范圍內做線性調整。設計中由于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(tài)。而在線性應用中，因為信號不失真的傳輸，所以，應根據(jù)動態(tài)工作的要求，設置合適的靜態(tài)工作點，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，也使得設計的成本大大增加。在設計中，受電路板尺寸、傳輸速度、設計成本等因素限制，無法選用速度上非常占優(yōu)勢的單路光耦器件，在此選用TOSHIBA公司的TLP521-4。

由于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?？梢园匆韵路椒ㄟM行分類:

可分為外光路光電耦合器(又稱光電斷續(xù)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。

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，互補輸出型等。

c、達林頓三極管輸出型，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、低導通輸出型(輸出低電平毫伏數(shù)量級)。

f、光開關輸出型(導通電阻小余10Ω)。

g、功率輸出型(IGBT/MOSFET等輸出)。

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。

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)。

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(光敏二極管帶信號處理電路或者光敏集成電路輸出型)。

可分為單通道，雙通道和多通道光電耦合器。

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

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)。

光電耦合器具體應用

圖1電路中，當輸入信號ui為低電平時，晶體管V1處于截止狀態(tài)，光電耦合器B1中發(fā)光二極管的電流近似為零，輸出端Q11、Q12間的電阻很大，相當于開關"斷開";當ui為高電平時，v1導通，B1中發(fā)光二極管發(fā)光，Q11、Q12間的電阻變小，相當于開關"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(tài).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(tài).

圖3電路為"與門"邏輯電路。其邏輯表達式為P=A.B.圖中兩只光敏管串聯(lián)，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.

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(fā)光回路限流電阻Rl，使B4的電流傳輸比為一常數(shù)，即可保證該電路的線性放大作用。

電路如圖5所示.驅動管需采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(fā)光二極管的正向電流增大，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(wěn)定.

電路如圖6所示。A是四組模擬電子開關(S1~S4):S1，S2，S3并聯(lián)(可增加驅動功率及抗干擾能力)用于延時電路，當其接通電源后經(jīng)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(huán)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處于數(shù)據(jù)開狀態(tài)。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(jīng)R1向C1充電，C1兩端電壓很快上升到9V，整流電壓經(jīng)S1，S2，S3和R4使B6內發(fā)光管發(fā)光從而觸發(fā)雙向可控硅導通，VT亦導通，H點亮，實現(xiàn)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(tài)。C1開始對R3放電，經(jīng)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(tài)，導致B6截止，VT亦截止，H熄來，實現(xiàn)延時關燈功能。

對于開關電路，往往要求控制電路和開關電路之間要有很好的電隔離，這對于一般的電子開關來說是很難做到的，但采用光電耦合器就很容易實現(xiàn)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，當無脈沖信號輸入時，三極管BG處于截止狀態(tài)，發(fā)光二極管無電流流過不發(fā)光，則a、b兩端電阻非常大，相當于開關"斷開"。當輸入端加有脈沖信號時，BG導通，發(fā)光二極管發(fā)光，則a、b兩端電阻變得很小，

圖1 相當于開關"接通"。故稱無信號時開關不通，為常開狀態(tài)。

圖1中(b)所示電路則為"常閉"狀態(tài)，因為無信號輸入時，雖BG截止，但發(fā)光二極管有電流通過而發(fā)光，使a、b兩端處于導通狀態(tài)，相當于開關"接通"。當有信號輸入時，BG導通，由于BG的集電結壓降在0.3V以下，遠小于發(fā)光二極管的正向導通電壓，所以發(fā)光二極管無電流流過不發(fā)光，則a、b兩端電阻極大，相當于開關"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，并使U&ab>3V為好，同時還應注意Uab應小于光電三極管的BVceo。

依據(jù)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，其中外接二極管D的作用，是保證輸入正脈沖信號時"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。它們適于自動控制和遙控設備中使用。

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(fā)電壓取自電阻R，其大小由通過光電三極管的電流決定，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(wǎng)電壓為220V時，V=/2·220=308V，則R1=308/1.2=250Ω.所以，可控硅SCR的規(guī)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)，則由于流過感性負載(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(fā)電流，是由R3與C的不同數(shù)值而決定的。

表46-1 IG、R3及三者關系表

/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，特別適于遙控時選用。

圖4

圖5中(a)所示電路，為光電耦合器控制的雙穩(wěn)態(tài)輸出開關電路，它的特點是由于光電耦合開關接在兩管的發(fā)射極回路上，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，光電三極管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大于鑒幅值時，光電三極管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(jié)電阻R3，即改變鑒幅電平。

圖6

對于不同電平的轉換電路或輸入、輸出電路的電位需要分開時，采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(fā)光二極管導通，光電三極管輸出高電平;TTL門電路截止時，發(fā)光二極管截止，光電三極管輸出低電平。

圖(b)中，則是利用TTL截止輸出高電平，發(fā)光二極管導通，光電三極管輸出低電平;TTL導通輸出低電平，發(fā)光二極管截止，光電三極管輸出高電平。

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管放大電路來驅動。

圖7

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，比較放大管需選用耐壓高的三極管，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(xiàn)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(wěn)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(fā)光二極管的正向電流增大，使光電三極管集電結電壓減小，即引起調整管BG1發(fā)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(wěn)定。BG3管為限流保護電路。光電耦合器是工作在放大狀態(tài)的。圖(b)的工作原理與圖(a)相同。

(1)光電耦合器的定義。光電耦合器是一種把發(fā)光器件和光敏器件封裝在同一殼體內， 中間通過電→光→電的轉換來傳輸電信號的半導體光電子器件。其中，發(fā)光器件一般都是發(fā)光二極管。 而光敏器件的種類較多，除光電二極管外，還有光敏三極管、光敏電阻、光電晶閘管等。 光電耦合器可根據(jù)不同要求， 由不同種類的發(fā)光器件和光敏器件組合成許多系列的光電耦合器。

(2)光電耦合器結構與原理。光電耦合器主要由三部分組成:光的發(fā)射、光的接收及信號放大。 光的發(fā)射部分主要由發(fā)光器件構成，發(fā)光器件一般都是發(fā)光二極管，發(fā)光二極管加上正向電壓時，能將電能轉化為光能而發(fā)光，發(fā)光二極管可以用直流、交流、脈沖等電源驅動，但發(fā)光二極管在使用時必須加正向電壓。光的接收部分主要由光敏器件構成，光敏器件一般都是光敏晶體管， 光敏晶體管是利用 PN 結在施加反向電壓時，在光線照射下反向電阻由大變小的原理來工作的，光敏晶體管在使用時有二個重要的注意事項:

第一、 必須加反向電壓;第二、光敏晶體管管殼必須保持清潔。 光的信號放大部分主要由電子電路等構成。發(fā)光器件的管腳為輸入端，而光敏器件的管腳為輸出端。工作時把電信號加到輸入端，使發(fā)光器件的芯體發(fā)光， 而光敏器件受光照后產生光電流并經(jīng)電子電路放大后輸出，實現(xiàn)電→光→電的轉換，從而實現(xiàn)輸入和輸出電路的電器隔離。由于光電耦合器輸入與輸出電路間互相隔離，且電信號在傳輸時具有單向性等優(yōu)點， 因而光電耦合器具有良好的抗電磁波干擾能力和電絕緣能力。

又由于光電耦合器的輸入端是發(fā)光器件，發(fā)光器件是阻抗電流驅動性器件，而噪音是一種高內阻微電流電壓信號。 因此光電耦合器件的共模抑制比很大，光電耦合器件可以很好地抑制干擾并消除噪音。它在計算機數(shù)字通信及實時控制電路中作為信號隔離的接口元件可以大大增加計算機工作的可靠性。 在長線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大幅度提高信噪比。所以，它在各種電路中得到了廣泛的應用。目前已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。

(3)光電耦合器的特點 :①光信號單向傳輸 ，輸出信號對輸入端無反饋，可有效阻斷電路或系統(tǒng)之間的電聯(lián)系，但并不切斷他們之間的信號傳遞。②隔離性能好，輸入端與輸出端之間完全實現(xiàn)了電隔離。③光信號不受電磁波干擾，工作穩(wěn)定可靠。④光發(fā)射器件與光敏器件的光譜匹配十分理想，響應速度快，傳輸效率高。 ⑤抗共模干擾能力強，能很好地抑制干擾并消除噪音。 ⑥無觸點，使用壽命長，體積小，耐沖擊能力強。 ⑦易與邏輯電路連接。⑧工作溫度范圍寬，符合工業(yè)和軍用溫度標準。

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(jié)RP，3、4間腳電阻發(fā)生變化，說明該器件是好的。注:不能用R×10k檔，否則導致發(fā)射管擊穿。

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

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

光電耦合器接口電路

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(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經(jīng)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。由于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。

圖1顯示了一個典型的光電耦合器驅動電路。在該例中，右邊的5V副邊輸出將會被左邊原邊電路的脈寬調制器控制。

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(tài)，可以定義發(fā)光二極管D1的電流和通過光耦合在光敏晶體管Q1的集電極電流。然后Q1定義脈沖寬度和輸出電壓，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)。