光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。是一種把發(fā)光元件和光敏元件封裝在同一殼體內(nèi)，中間通過電→光→電的轉(zhuǎn)換來傳輸電信號的半導(dǎo)體光電子器件。用于傳遞模擬信號的光耦合器的發(fā)光器件為二極管、光接收器為光敏三極管。當(dāng)有電流通過發(fā)光二極管時，便形成一個光源，該光源照射到光敏三極管表面上，使光敏三極管產(chǎn)生集電極電流，該電流的大小與光照的強弱，亦即流過二極管的正向電流的大小成正比。由于光耦合器的輸入端和輸出端之間通過光信號來傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒有電信號的反饋和干擾，故性能穩(wěn)定，抗干擾能力強。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容小（2pf左右）、耐壓高（2.5KV左右），故共模抑制比很高。輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供電電源間的絕緣電阻。此外，因其輸入電阻?。s10Ω），對高內(nèi)阻源的噪聲相當(dāng)于被短接。因此，由光耦合器構(gòu)成的模擬信號隔離電路具有優(yōu)良的電氣性能。

　　光耦的技術(shù)參數(shù)：

　　輸入特性

　　光耦合器的輸入特性實際也就是其內(nèi)部發(fā)光二極管的特性。常見的參數(shù)有：

　　1. 正向工作電壓Vf（Forward Voltage）

　　Vf是指在給定的工作電流下，LED本身的壓降。常見的小功率LED通常以If=20mA來測試正向工作電壓，當(dāng)然不同的LED，測試條件和測試結(jié)果也會不一樣。

　　2. 反向電壓Vr（Reverse Voltage ）

　　是指LED所能承受的最大反向電壓，超過此反向電壓，可能會損壞LED.在使用交流脈沖驅(qū)動LED時，要特別注意不要超過反向電壓。

　　3. 反向電流Ir（Reverse Current）

　　通常指在最大反向電壓情況下，流過LED的反向電流。

　　4. 允許功耗Pd（Maximum Power Dissipation）

　　LED所能承受的最大功耗值。超過此功耗，可能會損壞LED.

　　5. 中心波長λp（Peak Wave Length）

　　是指LED所發(fā)出光的中心波長值。波長直接決定光的顏色，對于雙色或多色LED，會有幾個不同的中心波長值。

　　6. 正向工作電流If（Forward Current）

　　If是指LED正常發(fā)光時所流過的正向電流值。不同的LED，其允許流過的最大電流也會不一樣。

　　7. 正向脈沖工作電流Ifp（Peak Forward Current）

　　Ifp是指流過LED的正向脈沖電流值。為保證壽命，通常會采用脈沖形式來驅(qū)動LED，通常LED規(guī)格書中給中的Ifp是以0.1ms脈沖寬度，占空比為1/10的脈沖電流來計算的。

　　輸出特性

　　光耦合器的輸出特性實際也就是其內(nèi)部光敏三極管的特性，與普通的三極管類似。常見的參數(shù)有：

　　1. 集電極電流Ic（Collector Current）

　　光敏三極管集電極所流過的電流，通常表示其最大值。

　　2. 集電極-發(fā)射極電壓Vceo（C-E Voltage）

　　集電極-發(fā)射極所能承受的電壓。

　　3. 發(fā)射極-集電極電壓Veco（E-C Voltage）

　　發(fā)射極-集電極所能承受的電壓

　　4. 反向截止電流Iceo

　　5. C-E飽和電壓Vce（sat）（C-E Saturation Voltage）

　　隔離特性

　　1.入出間隔離電壓Vio（Isolation Voltage）

　　光耦合器輸入端和輸出端之間絕緣耐壓值。

　　2.入出間隔離電容Cio（Isolation Capacitance）：

　　光耦合器件輸入端和輸出端之間的電容值

　　3.入出間隔離電阻Rio：（Isolation Resistance）

　　半導(dǎo)體光耦合器輸入端和輸出端之間的絕緣電阻值。

　　傳輸特性：

　　1.電流傳輸比CTR（Current Transfer Radio）

　　2.上升時間Tr （Rise Time）& 下降時間Tf（Fall Time）

　　其它參數(shù)諸如工作溫度、耗散功率等不再一一敷述。

　　光耦合器的技術(shù)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)。

　　電流傳輸比是光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來表示。當(dāng)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。

　　使用光電耦合器主要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離，在設(shè)計電路時，必須遵循下列原則：所選用的光電耦合器件必須符合國內(nèi)和國際的有關(guān)隔離擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)；由英國埃索柯姆（Isocom）公司、美國FAIRCHILD生產(chǎn)的4N××系列（如4N25、4N26、4N35）光耦合器，在國內(nèi)應(yīng)用地十分普遍。可以用于單片機的輸出隔離；所選用的光耦器件必須具有較高的耦合系數(shù)。

　　以下為光電耦合器的常用參數(shù)：

　　反向電流IR：在被測管兩端加規(guī)定反向工作電壓VR時，二極管中流過的電流。

　　反向擊穿電壓VBR：被測管通過的反向電流IR為規(guī)定值時，在兩極間所產(chǎn)生的電壓降。

　　正向壓降VF：二極管通過的正向電流為規(guī)定值時，正負極之間所產(chǎn)生的電壓降。

　　正向電流IF：在被測管兩端加一定的正向電壓時二極管中流過的電流。結(jié)電容CJ：在規(guī)定偏壓下，被測管兩端的電容值。

　　反向擊穿電壓V（BR）CEO：發(fā)光二極管開路，集電極電流IC為規(guī)定值，集電極與發(fā)射集間的電壓降。

　　輸出飽和壓降VCE（sat）：發(fā)光二極管工作電流IF和集電極電流IC為規(guī)定值時，并保持IC/IF≤CTRmin時（CTRmin在被測管技術(shù)條件中規(guī)定）集電極與發(fā)射極之間的電壓降。

　　反向截止電流ICEO：發(fā)光二極管開路，集電極至發(fā)射極間的電壓為規(guī)定值時，流過集電極的電流為反向截止電流。

　　電流傳輸比CTR［2］：輸出管的工作電壓為規(guī)定值時，輸出電流和發(fā)光二極管正向電流之比為電流傳輸比CTR.

　　脈沖上升時間tr，下降時間tf：光耦合器在規(guī)定工作條件下，發(fā)光二極管輸入規(guī)定電流IFP的脈沖波，輸出端管則輸出相應(yīng)的脈沖波，從輸出脈沖前沿幅度的10%到90%，所需時間為脈沖上升時間tr.從輸出脈沖后沿幅度的90%到10%，所需時間為脈沖下降時間tf.

　　傳輸延遲時間tPHL，tPLH：從輸入脈沖前沿幅度的50%到輸出脈沖電平下降到1.5V時所需時間為傳輸延遲時間tPHL.從輸入脈沖后沿幅度的50%到輸出脈沖電平上升到1.5V時所需時間為傳輸延遲時間tPLH.

　　入出間隔離電容CIO：光耦合器件輸入端和輸出端之間的電容值。

　　入出間隔離電阻RIO：半導(dǎo)體光耦合器輸入端和輸出端之間的絕緣電阻值。

　　入出間隔離電壓VIO：光耦合器輸入端和輸出端之間絕緣耐壓值。

　　以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。

　　關(guān)于光耦的使用：

　　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(dāng)CTR《50%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流（IF》5.0mA），才能正常控制單片開關(guān)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(dāng)負載發(fā)生突變時，有可能將單片開關(guān)電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。

　　2、若用放大器電路去驅(qū)動光電耦合器，必須精心設(shè)計，保證它能夠補償耦合器的溫度不穩(wěn)定性和漂移。

　　3、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。上述使用的光電耦合器時工作在線性方式下，在光電耦合器的輸入端加控制電壓，在輸出端會成比例地產(chǎn)生一個用于進一步控制下一級電路的電壓，是單片機進行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，對電源輸出起到穩(wěn)壓的作用。

　　為了徹底阻斷干擾信號進入系統(tǒng)，不僅信號通路要隔離，而且輸入或輸出電路與系統(tǒng)的電源也要隔離，即這些電路分別使用相互獨立的隔離電源。對于共模干擾，采用隔離技術(shù)，即利用變壓器或線性光電耦合器，將輸入地與輸出地斷開，使干擾沒有回路而被抑制。在開關(guān)電源中，光電耦合器是一個是非常重要的外圍器件，設(shè)計者可以充分的利用它的輸入輸出隔離作用對單片機進行抗干擾設(shè)計，并對變換器進行閉環(huán)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。

　　光耦的應(yīng)用技巧：

　　光電耦合器可根據(jù)不同要求，由不同種類的發(fā)光元件和光敏元件組合成許多系列的光電耦合器。目前應(yīng)用最廣的是發(fā)光二極管和光敏三極管組合成的光電耦合器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1a所示。

　　光耦以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強的特點。對于既包括弱電控制部分，又包括強電控制部分的工業(yè)應(yīng)用測控系統(tǒng)，采用光耦隔離可以很好地實現(xiàn)弱電和強電的隔離，達到抗干擾目的。但是，使用光耦隔離需要考慮以下幾個問題：

　?、?光耦直接用于隔離傳輸模擬量時，要考慮光耦的非線性問題；

　　② 光耦隔離傳輸數(shù)字量時，要考慮光耦的響應(yīng)速度問題；

　　③ 如果輸出有功率要求的話，還得考慮光耦的功率接口設(shè)計問題。

　　1 光電耦合器非線性的克服

　　光電耦合器的輸入端是發(fā)光二極管，因此，它的輸入特性可用發(fā)光二極管的伏安特性來表示，如圖1b所示；輸出端是光敏三極管，因此光敏三極管的伏安特性就是它的輸出特性，如圖1c所示。由圖可見，光電耦合器存在著非線性工作區(qū)域，直接用來傳輸模擬量時精度較差。

　　解決方法之一，利用2個具有相同非線性傳輸特性的光電耦合器，T1和T2，以及2個射極跟隨器A1和A2組成，如圖2所示。如果T1和T2是同型號同批次的光電耦合器，可以認為他們的非線性傳輸特性是完全一致的，即K1（I1）=K2（I1），則放大器的電壓增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=（R3/R2）［K1（I1）/K2（I1）］=R3/R2。由此可見，利用T1和T2電流傳輸特性的對稱性，利用反饋原理，可以很好的補償他們原來的非線性。

　　另一種模擬量傳輸?shù)慕鉀Q方法，就是采用VFC（電壓頻率轉(zhuǎn)換）方式，如圖3所示?，F(xiàn)場變送器輸出模擬量信號（假設(shè)電壓信號），電壓頻率轉(zhuǎn)換器將變送器送來的電壓信號轉(zhuǎn)換成脈沖序列，通過光耦隔離后送出。在主機側(cè)，通過一個頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將脈沖序列還原成模擬信號。此時，相當(dāng)于光耦隔離的是數(shù)字量，可以消除光耦非線性的影響。這是一種有效、簡單易行的模擬量傳輸方式。

　　當(dāng)然，也可以選擇線性光耦進行設(shè)計，如精密線性光耦TIL300，高速線性光耦6N135/6N136。線性光耦一般價格比普通光耦高，但是使用方便，設(shè)計簡單；隨著器件價格的下降，使用線性光耦將是趨勢。

　　2 提高光電耦合器的傳輸速度

　　當(dāng)采用光耦隔離數(shù)字信號進行控制系統(tǒng)設(shè)計時，光電耦合器的傳輸特性，即傳輸速度，往往成為系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)傳輸速率的決定因素。在許多總線式結(jié)構(gòu)的工業(yè)測控系統(tǒng)中，為了防止各模塊之間的相互干擾，同時不降低通訊波特率，我們不得不采用高速光耦來實現(xiàn)模塊之間的相互隔離。常用的高速光耦有6N135/6N136，6N137/6N138。但是，高速光耦價格比較高，導(dǎo)致設(shè)計成本提高。這里介紹兩種方法來提高普通光耦的開關(guān)速度。

　　由于光耦自身存在的分布電容，對傳輸速度造成影響，光敏三極管內(nèi)部存在著分布電容Cbe和Cce，如圖4所示。由于光耦的電流傳輸比較低，其集電極負載電阻不能太小，否則輸出電壓的擺幅就受到了限制。但是，負載電阻又不宜過大，負載電阻RL越大，由于分布電容的存在，光電耦合器的頻率特性就越差，傳輸延時也越長。

　　用2只光電耦合器T1，T2接成互補推挽式電路，可以提高光耦的開關(guān)速度，如圖5所示。當(dāng)脈沖上升為“1”電平時，T1截止，T2導(dǎo)通。相反，當(dāng)脈沖為“0”電平時，T1導(dǎo)通，T2截止。這種互補推挽式電路的頻率特性大大優(yōu)于單個光電耦合器的頻率特性。

　　此外，在光敏三極管的光敏基極上增加正反饋電路，這樣可以大大提高光電耦合器的開關(guān)速度。如圖6所示電路，通過增加一個晶體管，四個電阻和一個電容，實驗證明，這個電路可以將光耦的最大數(shù)據(jù)傳輸速率提高10倍左右。

　　3 光耦的功率接口設(shè)計

　　微機測控系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到功率接口電路，以便于驅(qū)動各種類型的負載，如直流伺服電機、步進電機、各種電磁閥等。這種接口電路一般具有帶負載能力強、輸出電流大、工作電壓高的特點。工程實踐表明，提高功率接口的抗干擾能力，是保證工業(yè)自動化裝置正常運行的關(guān)鍵。

　　就抗干擾設(shè)計而言，很多場合下，我們既能采用光電耦合器隔離驅(qū)動，也能采用繼電器隔離驅(qū)動。一般情況下，對于那些響應(yīng)速度要求不很高的啟停操作，我們采用繼電器隔離來設(shè)計功率接口；對于響應(yīng)時間要求很快的控制系統(tǒng)，我們采用光電耦合器進行功率接口電路設(shè)計。這是因為繼電器的響應(yīng)延遲時間需幾十ms，而光電耦合器的延遲時間通常都在10us之內(nèi)，同時采用新型、集成度高、使用方便的光電耦合器進行功率驅(qū)動接口電路設(shè)計，可以達到簡化電路設(shè)計，降低散熱的目的。

　　圖7是采用光電耦合器隔離驅(qū)動直流負載的典型電路。因為普通光電耦合器的電流傳輸比CRT非常小，所以一般要用三極管對輸出電流進行放大，也可以直接采用達林頓型光電耦合器（見圖8）來代替普通光耦T1。例如東芝公司的4N30。對于輸出功率要求更高的場合，可以選用達林頓晶體管來替代普通三極管，例如ULN2800高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，它的輸出電流和輸出電壓分別達到500mA和50V。

　　對于交流負載，可以采用光電可控硅驅(qū)動器進行隔離驅(qū)動設(shè)計，例如TLP541G，4N39。光電可控硅驅(qū)動器，特點是耐壓高，驅(qū)動電流不大，當(dāng)交流負載電流較小時，可以直接用它來驅(qū)動，如圖9所示。當(dāng)負載電流較大時，可以外接功率雙向可控硅，如圖10所示。其中，R1為限流電阻，用于限制光電可控硅的電流；R2為耦合電阻，其上的分壓用于觸發(fā)功率雙向可控硅。

　　當(dāng)需要對輸出功率進行控制時，可以采用光電雙向可控硅驅(qū)動器，例如MOC3010。圖11為交流可控驅(qū)動電路，來自微機的控制信號 經(jīng)過光電雙向可控硅驅(qū)動器T1隔離，控制雙向可控硅T2的導(dǎo)通，實現(xiàn)交流負載的功率控制。

　　圖12為交流電源輸出直流可控電路。來自微機的控制信號 經(jīng)過光電雙向可控硅驅(qū)動器隔離，控制可控硅橋式整流電路導(dǎo)通，實現(xiàn)交流一直流的功率控制。此電路已經(jīng)應(yīng)用在我們實驗室研制的新型電機控制設(shè)備中，效果良好。

　　光耦的應(yīng)用：

　　由于光耦種類繁多，結(jié)構(gòu)獨特，優(yōu)點突出，因而其應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用以下場合：

　?、?在邏輯電路上的應(yīng)用

　?、?作為固體開關(guān)應(yīng)用

　?、?在觸發(fā)電路上的應(yīng)用

　?、?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，可以將脈沖信號進行放大。

　?、?在線性電路上的應(yīng)用

　?、?特殊場合的應(yīng)用。

　　線性光耦合器的選取原則

　　在設(shè)計光耦反饋式開關(guān)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：

　?、俟怦詈掀鞯碾娏鱾鬏敱龋–TR）的允許范圍是50%～200%。這是因為當(dāng)CTR《50%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流

　?、谕扑]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。

　?、塾捎Ｋ骺履罚↖socom）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，在國內(nèi)應(yīng)用地十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開關(guān)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(guān)電源中。