光耦合器

光耦合器的技術參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)。此外，在傳輸數(shù)字信號時還需考慮上升時間、下降時間、延遲時間和存儲時間等參數(shù)。

最重要的參數(shù)是電流放大系數(shù)傳輸比CTR(Curremt-Transfer Ratio)。通常用直流電流傳輸比來表示。當輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。當接收管的電流放大系數(shù)hFE為常數(shù)時，它等于輸出電流IC之比，通常用百分數(shù)來表示。有公式:

CTR=IC/ IF×100%

采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20%~30%(如4N35)，而PC817則為80%~160%，達林頓型光耦合器(如4N30)可達100%~500%。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此，CTR參數(shù)與晶體管的hFE有某種相似之處。普通光耦合器的CTR-IF特性曲線呈非線性，在IF較小時的非線性失真尤為嚴重，因此它不適合傳輸模擬信號。線性光耦合器的CTR-IF特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號時，其交流電流傳輸比(ΔCTR=ΔIC/ΔIF)很接近于直流電流傳輸比CTR值。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號，能使輸出與輸入之間呈線性關系。這是其重要特性。在設計光耦反饋式開關電源時必須正確選擇線性光耦合器的型號及參數(shù)，選取原則如下:

(1)光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%~200%。這是因為當CTR5.0mA)，才能正?？刂茊纹_關電源IC的占空比，這會增大光耦的功耗。若CTR>200%，在啟動電路或者當負載發(fā)生突變時，有可能將單片開關電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。

(2)推薦采用線性光耦合器，其特點是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。

(3)由英國埃索柯姆(Isocom)公司、美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N××系列(如4N25 、4N26、4N35)光耦合器，2012年在國內(nèi)應用地十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開關特性，其線性度差，適宜傳輸數(shù)字信號(高、低電平)，因此不推薦用在開關電源中。

微機有多個輸入埠，接收來自遠處現(xiàn)場設備傳來的狀態(tài)信號，微機對這些信號 處理后，輸出各種控制信號去執(zhí)行相應的操作。在現(xiàn)場環(huán)境較惡劣時，會存在較大的雜訊干擾，若這些干擾隨輸入信號一起進入微機系統(tǒng)，會使控制準確性降低，產(chǎn)生誤動作。因而，可在微機的輸入和輸出端，用光耦作介面，對信號及雜訊進行隔離。典型的光電耦合電路如圖6所示。該電路主要應用在"A/D轉換器"的數(shù)位信號輸出，及由CPU發(fā)出的對前向通道的控制信號與類比電路的介面處，從而實現(xiàn)在不同系統(tǒng)間信號通路相聯(lián)的同時，在電氣通路上相互隔離，并在此基礎上實現(xiàn)將類比電路和數(shù)位電路相互隔離，起到抑制交叉串擾的作用。

圖六 光電耦合器接線原理

對于線性類比電路通道，要求光電耦合器必須具有能夠進行線性變換和傳輸?shù)奶匦?，或選擇對管，采用互補電路以提高線性度，或用V/F變換后再用數(shù)位光耦進行隔離。

在微機控制系統(tǒng)中，大量應用的是開關量的控制，這些開關量一般經(jīng)過微機 的I/O輸出，而I/O的驅動能力有限，一般不足以驅動一些點磁執(zhí)行器件，需加接驅動介面電路，為避免微機受到干擾，須采取隔離措施。如可控硅所在的主電路一般是交流強電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機直接相連，可應用光耦合器將微機控制信號與可控硅觸發(fā)電路進行隔離。電路實例如圖7所示。

圖七 雙向可控硅(晶閘管)

在馬達控制電路中，也可采用光耦來把控制電路和馬達高壓電路隔離開。馬達靠MOSFET或IGBT功率管提供驅動電流，功率管的開關控制信號和大功率管之間需隔離放大級。在光耦隔離級-放大器級-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。

在電腦應用系統(tǒng)中，由于測控系統(tǒng)與被測和被控設備之間不可避免地要進行長線傳輸，信號在傳輸過程中很易受到干擾，導致傳輸信號發(fā)生畸變或失真;另外，在通過較長電纜連接的相距較遠的設備之間，常因設備間的地線電位差，導致地環(huán)路電流，對電路形成差模干擾電壓。為確保長線傳輸?shù)目煽啃?，可采用光電耦合隔離措施，將2個電路的電氣連接隔開，切斷可能形成的環(huán)路，使他們相互獨立，提高電路系統(tǒng)的抗干 擾性能。若傳輸線較長，現(xiàn)場干擾嚴重，可通過兩級光電耦合器將長線完全"浮置"起來，如圖8所示。

圖八 傳輸長線的光耦浮置處理

長線的"浮置"去掉了長線兩端間的公共地線，不但有效消除了各電路的電流經(jīng)公共地線時所產(chǎn)生雜訊電壓形成相互竄擾，而且也有效地解決了長線驅動和阻抗匹配問題;同時，受控設備短路時，還能保護系統(tǒng)不受損害。

零交叉，即過零檢測，指交流電壓過零點被自動檢測進而產(chǎn)生驅動信號，使電子開關在此時刻開始開通?，F(xiàn)代的零交叉技術已與光電耦合技術相結合。圖9為一種單片機數(shù)控交流調(diào)壓器中可使用的過零檢測電路。

圖九 過零檢測

220V交流電壓經(jīng)電阻R1限流后直接加到2個反向并聯(lián)的光電耦合器GD1，GD2的輸入端。在交流電源的正負半周，GD1和GD2分別導通，U0輸出低電平，在交流電源正弦波過零的瞬間，GD1和GD2均不導通，U0輸出高電平。該脈沖信號經(jīng)反閘整形后作為單片機的中斷請求信號和可控矽的過零同步信號。

注意事項

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

(2)當用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時，必須對所有的信號(包括數(shù)位量信號、控制量信號、狀態(tài)信號)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。

光耦合器相關專業(yè)術語:

光耦合器的種類達數(shù)十種，主要有通用型(又分無基極引線和基極引線兩種)、達林頓型、施密特型、高速型、光集成電路、光纖維、光敏晶閘管型(又分單向晶閘管、雙向晶閘管)、光敏場效應管型。

信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。在單片開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。

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(nèi)做線性調(diào)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)。

光電耦合器它屬于比較新型的一種電子產(chǎn)品，它廣泛應用于計算機、音視頻，它又被叫做光耦合器或光耦，在各種控制電路中。由于光電耦合器內(nèi)部的發(fā)光二極管和光敏三極管只是把電路前后級的電壓或電流變化，轉化為光的變化，二者之間沒有電氣連接，因此能有效隔斷電路間的電位聯(lián)系，實現(xiàn)電路之間的可靠隔離。

1.光電耦合器的檢測判斷光耦的好壞，可在路測量其內(nèi)部.二極管和三極管的正反向電阻來確定。更可靠的檢測方法是以下三種。1. 比較法 拆下懷疑有問題的光耦，用萬用表測量其內(nèi)部二極管;三極管的正反向電阻值，用其與好的光耦對應腳的測量值進行比較，若阻值相差較大，則說明光耦已損壞。

2. 數(shù)宇萬用表檢測法 下面以PCIll光耦檢測為例來說明數(shù)字萬用表檢測的方法，檢測時將光耦內(nèi)接二極管的+端①腳和-端②腳分別插入數(shù)字萬用表的hfE的c，e插孔內(nèi)，此時數(shù)字萬用表應置于NPN擋;然后將光耦內(nèi)接光電三極管c極⑤腳接指針式萬用表的黑表筆，e極④腳接紅表筆，并將指針式萬用表撥在Rxlk擋。這樣就能通過指針式萬用表指針的偏轉角度--實際上是光電流的變化，來判斷光耦的情況。指針向右偏轉角度越大，說明光耦的光電轉換效率越高，即傳輸比越高，反之越低;若表針不動，則說明光耦已損壞。

3.光電效應判斷法 仍以ICIll光電耦合器的檢測為例，將萬用表置寸:Rxlk電阻擋，兩表筆分別接在光耦的輸出端④、⑤腳，然后用一節(jié)1.5V的電池與一只50-100歐的電阻串接后，電池的正極端接PC111的①腳，負極端碰接②腳，或者正極端碰接①腳，負極端接②腳，這時觀察接在輸出端萬用表的指針偏轉情況。如果指針擺動，說明光耦是好的，如果不擺動，則說明光耦已損壞。萬用表指針擺動偏轉角度越大，表明光電轉換靈敏度越高。

光耦隔離就是采用光耦合器進行隔離，光耦合器的結構相當于把發(fā)光二極管和光敏(三極)管封裝在一起。發(fā)光二極管把輸入的電信號轉換為光信號傳給光敏管轉換為電信號輸出，由于沒有直接的電氣連接，這樣 既耦合傳輸了信號，又有隔離作用。只要光耦合器質量好，電路參數(shù)設計合理，一般故障少見。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)異常，使輸入、輸出兩側的電位差超過光耦合器所能承受的電壓，就會使之被擊穿損壞。

可以認為是一個發(fā)光二極管和一個光電二極管或三極管封裝到一起?？梢詫崿F(xiàn)信號的完全電氣隔離。在信號采集系統(tǒng)中廣泛采用。

光耦是通電使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏二極管接受光導通的器件。其好處輸入和輸出是隔離的，就象變壓器一樣。6N137和6N138是光耦8腳IC，具體參數(shù)搜索一下即可光偶隔離器的缺點是尺寸太大。

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，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)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。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸資訊中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在電腦數(shù)位通信及即時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加其工作之可靠性。