光电耦合器
光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。
- 中文名 光电耦合器
- 外文名 optical coupler
- 英文缩写 OC
- 亦称 光电隔离器
基本资料
全称
光电耦合器接口电路
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。
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)。
光电耦合器实物图 工作原理
工作原理
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。
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。
3、隔离特性
1.入出间隔离电压Vio(Isolation Voltage)
光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。
2.入出间隔离电容Cio(Isolation Capacitance):
光耦合器件输入端和输出端之间的电容值
3.入出间隔离电阻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.电流传输比光电耦合器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。
特点
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。
仪器测试
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。
应用与机构
(1)光电耦合器的定义。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。
(2)光电耦合器结构与原理。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，光敏晶体管在使用时有二个重要的注意事项:
第一、 必须加反向电压;第二、光敏晶体管管壳必须保持清洁。 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。
又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。
(3)光电耦合器的特点 :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。 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。
应用电路
开关电路
图1 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。
图2
图2中(a)为单刀双掷开关电路，其中外接二极管D的作用，是保证输入正脉冲信号时"oa"组接通，"ob"组关断。图中(b)为双刀双掷开关电路，无输入信号时，BG截止，"ob"与"od"组断开，"oa"与"oc"组接通;BG导通(即有信号输入时)，"ob"与"od"组接通，而"oa"与"oc"组断开。它们适于自动控制和遥控设备中使用。
光耦合的可控硅开关
图3
图3中(a)所示电路为光耦合器构成的可控硅开关电路。可控硅SCR的触发电压取自电阻R，其大小由通过光电三极管的电流决定，直接由输入电压控制。该电路简单，控制端与输出端有可靠的电隔离。
图3中(b)所示电路，为控制负载为纯电阻(如白炽灯泡)的开关电路，图中R1的阻值由下式确定:R1=V/1.2A，1.2A为双向开关的额定电流。当主电网电压为220V时，V=/2·220=308V，则R1=308/1.2=250Ω.所以，可控硅SCR的规格应依R1的大小进行选择。
当开关电路的负载为感性负载(如电动机等)，则由于流过感性负载(线圈)的电流与电压的相位不同，需增加相应元件，方能保证开关电路的正常工作，如图46?所示。
图中双向可控硅SCR的触发电流，是由R3与C的不同数值而决定的。
表46-1 IG、R3及三者关系表
/IG(Ma)/R3(kΩ)/C(μF)
/15/2.4/0.1
/30/1.2/0.2
/50/0.8/0.3/
图4的开关电路，特别适于遥控时选用。
图4
用于双稳态输出的光耦合
图5中(a)所示电路，为光电耦合器控制的双稳态输出开关电路，它的特点是由于光电耦合开关接在两管的发射极回路上，故能有效地解决输出与负载间的隔离问题。图5(a)
图5 (b)
图5中(b)所示电路为光电耦合开关的施密特电路。当输入电压U1为低电平时，光电三极管C、e间呈高电阻，BG1导通，BG2截止，则输出电压U0为低电平;当输入电压U1大于鉴幅值时，光电三极管c、e间呈低电阻，则BG1截止，BG2导通，输出的电压U0为高电平。调节电阻R3，即改变鉴幅电平。
电平转换电路
图6
对于不同电平的转换电路或输入、输出电路的电位需要分开时，采用光电耦合器就显得十分方便了。
中图6的(a)与(b)图示电路，就是5V电源的TTL集成电路与15V电源的HTL集成电路，相互连接进行电平转换的基本电路。
图(a)中，TTL门电路导通时，即输出低电平，发光二极管导通，光电三极管输出高电平;TTL门电路截止时，发光二极管截止，光电三极管输出低电平。
图(b)中，则是利用TTL截止输出高电平，发光二极管导通，光电三极管输出低电平;TTL导通输出低电平，发光二极管截止，光电三极管输出高电平。
在进行具体应用时，因CMOS集成电路在低电平时的电流只有1~2mA，难以直接驱动所接的负载，故一般需加一级三极管放大电路来驱动。
高压稳压电路
图7
串联型稳压电路，比较放大管需选用耐压高的三极管，若利用光电耦合器的输入与输出间绝缘良好的特点，便可实现高压控制。
图7中的(a)与(b)所示的电路，就是利用光电耦合器的高压稳压电路。
图(a)中，当输出电压因某种原因导致升高时，则BG5的偏压增加，发光二极管的正向电流增大，使光电三极管集电结电压减小，即引起调整管BG1发射结电压下降，其集电结电压上升，从而使原来升高的输出电压减小，保持输出电压的稳定。BG3管为限流保护电路。光电耦合器是工作在放大状态的。图(b)的工作原理与图(a)相同。
具体应用
光电耦合器具体应用
组成开关电路
图1电路中，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
图3电路为"与门"逻辑电路。其逻辑表达式为P=A.B.图中两只光敏管串联，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
电路如图4所示.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
电路如图5所示.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
电路如图6所示。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。
分类
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)。
选取原则
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。