簡述光電耦合器工作原理

一、光電耦合器件簡介

光電偶合器件（簡稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極體）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電—光和光—電的轉(zhuǎn)換器件。光電耦合器分為很多種類，圖1所示為常用的三極管型光電耦合器原理圖。

當(dāng)電信號送入光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極體通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無信號，發(fā)光二極體不亮，光敏三極管截止，CE不通。對于數(shù)位量，當(dāng)輸入為低電平“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平“ 0”。若基極有引出線則可滿足溫度補(bǔ)償、檢測調(diào)制要求。這種光耦合器性能較好，價格便宜，因而應(yīng)用廣泛。

圖一 最常用的光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 /三極管接收型/4腳封裝

圖二 光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖/三極管接收型 6腳封裝

圖三 光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖/光二極管輸入/三極管接收型/4腳封裝

圖四 光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖/雙發(fā)可控硅接收型/6腳封裝

圖五 光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖/雙二極管接收型/6腳封裝

光電耦合器之所以在傳輸信號的同時能有效地抑制尖脈沖和各種雜訊干擾，使通道上的信號雜訊比大為提高，主要有以下幾方面的原因：

（1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105～106Ω。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極體發(fā)光，從而被抑制掉了。

（2）光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。

（3）光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞儀表。因?yàn)楣怦詈掀骷妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g可以承受幾千伏的高壓。

（4）光電耦合器的回應(yīng)速度極快，其回應(yīng)延遲時間只有10μs左右，適于對回應(yīng)速度要求很高的場合。

二、光電隔離技術(shù)的應(yīng)用

在電子電路系統(tǒng)中，不可避免地存在各種各樣的干擾信號，若電路的抗干擾能力差將導(dǎo)致測量、控制準(zhǔn)確性的降低，甚至產(chǎn)生誤動作，從而帶來破壞性的后果。因此，若硬件上采用一些設(shè)計(jì)技術(shù)，破壞干擾信號進(jìn)入測控系統(tǒng)的途徑，可有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。事實(shí)證明，采用隔離技術(shù)是一種簡便且行之有效的方法。隔離技術(shù)是破壞“地”干擾途徑的抗干擾方法，硬件上常用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)電→光→電的隔離，它能有效地破壞干擾信號的進(jìn)入，可靠地實(shí)現(xiàn)信號的隔離，并容易構(gòu)成各種功能狀態(tài)。

1、微機(jī)介面電路中的光電隔離

微機(jī)有多個輸入埠，接收來自遠(yuǎn)處現(xiàn)場設(shè)備傳來的狀態(tài)信號，微機(jī)對這些信號處理后，輸出各種控制信號去執(zhí)行相應(yīng)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(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，會使控制準(zhǔn)確性降低，產(chǎn)生誤動作。因而，可在微機(jī)的輸入和輸出端，用光耦作介面，對信號及雜訊進(jìn)行隔離。典型的光電耦合電路如圖6所示。該電路主要應(yīng)用在“A／D轉(zhuǎn)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(shí)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(chǔ)上實(shí)現(xiàn)將類比電路和數(shù)位電路相互隔離，起到抑制交叉串?dāng)_的作用。

圖六 光電耦合器接線原理

圖七 雙向可控硅（晶閘管）

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

2、功率驅(qū)動電路中的光電隔離

在微機(jī)控制系統(tǒng)中，大量應(yīng)用的是開關(guān)量的控制，這些開關(guān)量一般經(jīng)過微機(jī)的I／O輸出，而I／O的驅(qū)動能力有限，一般不足以驅(qū)動一些點(diǎn)磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動介面電路，為避免微機(jī)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(qiáng)電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機(jī)直接相連，可應(yīng)用光耦合器將微機(jī)控制信號與可控硅觸發(fā)電路進(jìn)行隔離。電路實(shí)例如圖7所示。

在馬達(dá)控制電路中，也可采用光耦來把控制電路和馬達(dá)高壓電路隔離開。馬達(dá)靠MOSFET或IGBT功率管提供驅(qū)動電流，功率管的開關(guān)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。

3、遠(yuǎn)距離的隔離傳送

在電腦應(yīng)用系統(tǒng)中，由于測控系統(tǒng)與被測和被控設(shè)備之間不可避免地要進(jìn)行長線傳輸，信號在傳輸過程中很易受到干擾，導(dǎo)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(yuǎn)的設(shè)備之間，常因設(shè)備間的地線電位差，導(dǎo)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)目煽啃裕刹捎霉怆婑詈细綦x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(dú)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(yán)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(qū)動和阻抗匹配問題；同時，受控設(shè)備短路時，還能保護(hù)系統(tǒng)不受損害。

4、過零檢測電路中的光電隔離

零交叉，即過零檢測，指交流電壓過零點(diǎn)被自動檢測進(jìn)而產(chǎn)生驅(qū)動信號，使電子開關(guān)在此時刻開始開通。現(xiàn)代的零交叉技術(shù)已與光電耦合技術(shù)相結(jié)合。圖9為一種單片機(jī)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(fù)半周，GD1和GD2分別導(dǎo)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(dǎo)通，U0輸出高電平。該脈沖信號經(jīng)反閘整形后作為單片機(jī)的中斷請求信號和可控矽的過零同步信號。

三、注意事項(xiàng)

（1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)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(dāng)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