一、引言
光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見(jiàn)的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。
二、工作原理
耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)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(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)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(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，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(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。
1.優(yōu)點(diǎn)
光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來(lái)產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。
好壞判斷
用數(shù)字萬(wàn)用表的二極管測(cè)量檔，紅表筆接光耦的“1”腳，黑表筆接光耦的“2”腳（即使光耦的發(fā)光二極管正向?qū)ǎ┐藭r(shí)萬(wàn)用表顯示大約是0.981V，紅表筆接光耦的“3”腳，黑表筆接光耦的“4”腳，此時(shí)萬(wàn)用表顯示大約是0.700V，證明光耦是好的。
實(shí)用技巧
耦以光信號(hào)為媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)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(qiáng)的特 點(diǎn)。對(duì)于既包括弱電控制部分，又包括強(qiáng)電控制部分的工業(yè)應(yīng)用測(cè)控系統(tǒng)，采用光耦隔離可以很好地實(shí)現(xiàn)弱電和強(qiáng)電的隔離，達(dá)到抗干擾目的。但是，使用光耦隔離需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：
?、俟怦钪苯佑糜诟綦x傳輸模擬量時(shí)，要考慮光耦的非線性問(wèn)題；
②光耦隔離傳輸數(shù)字量時(shí)，要考慮光耦的響應(yīng)速度問(wèn)題；
?、廴绻敵鲇泄β室蟮脑?，還得考慮光耦的功率接口設(shè)計(jì)問(wèn)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(lái)表示；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。由此可見(jiàn)，光電耦合器存在著非線性工作區(qū)域，直接用來(lái)傳輸模擬量時(shí)精度較
解決方法之一，利用2個(gè)具有相同非線性傳輸特性的光電耦合器，T1和T2，以及2個(gè)射極跟隨器A1和A2組成。如果T1和T2是同型號(hào)同批次的光電耦合器，可以認(rèn)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(jiàn)，利用T1和T2電流傳輸特性的對(duì)稱性，利用反饋原理，可以很好的補(bǔ)償他們?cè)瓉?lái)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?，F(xiàn)場(chǎng)變送器輸出模擬量信號(hào)(假設(shè)電壓信號(hào))，電壓頻率轉(zhuǎn)換器將變送器送來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖序列，通過(guò)光耦隔離后送出。在主機(jī)側(cè)，通過(guò)一個(gè)頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將脈沖序列還原成模擬信號(hào)。此時(shí)，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(jiǎn)單易行的模擬量傳輸方式。
當(dāng)然，也可以選擇線性光耦進(jìn)行設(shè)計(jì)，如精密線性光耦TIL300，高速線性光耦6N135/6N136。線性光耦一般價(jià)格比普通光耦高，但是使用方便，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；隨著器件價(jià)格的下降，使用線性光耦將是趨勢(shì)。
（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(hào)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(cè)控系統(tǒng)中，為了防止各模塊之間的相互干擾，同時(shí)不降低通訊波特率，我們不得不采用高速光耦來(lái)實(shí)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(jià)格比較高，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本提高。這里介紹兩種方法來(lái)提
高普通光耦的開(kāi)關(guān)速度。由于光耦自身存在的分布電容，對(duì)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。由于光耦的電流傳輸比較低，其集電極負(fù)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(fù)載電阻又不宜過(guò)大，負(fù)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(shí)也越長(zhǎng)。
用2只光電耦合器T1，T2接成互補(bǔ)推挽式電路，可以提高光耦的開(kāi)關(guān)速度。當(dāng)脈沖上升為“1”電平時(shí)，T1截止，T2導(dǎo)通。相反，當(dāng)脈沖為“0”電平時(shí)，T1導(dǎo)通，T2截止。這種互補(bǔ)推挽式電路的頻率特性大大優(yōu)于單個(gè)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(kāi)關(guān)速度。通過(guò)增加一個(gè)晶體管，四個(gè)電阻和一個(gè)電容，實(shí)驗(yàn)證明，這個(gè)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(jì)
微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到功率接口電路，以便于驅(qū)動(dòng)各種類型的負(fù)載，如直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、各種電磁閥等。這種接口電路一般具有帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出電流大、工作電壓高的特點(diǎn)。工程實(shí)踐表明，提高功率接口的抗干擾能力，是保證工業(yè)自動(dòng)化裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵。
就抗干擾設(shè)計(jì)而言，很多場(chǎng)合下，既能采用光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng)，也能采用繼電器隔離驅(qū)動(dòng)。一般情況下，對(duì)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(lái)設(shè)計(jì)功率接口；對(duì)于響應(yīng)時(shí)間要求很快的控制系統(tǒng)，采用光電耦合器進(jìn)行功率接口電路設(shè)計(jì)。這是因?yàn)槔^電器的響應(yīng)延遲時(shí)間需幾十ms，而光電耦合器的延遲時(shí)間通常都在10us之內(nèi)，同時(shí)采用新型、集成度高、使用方便的光電耦合器進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)，可以達(dá)到簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低散熱的目的。
對(duì)于交流負(fù)載，可以采用光電可控硅驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，例如TLP541G，4N39。光電可控硅驅(qū)動(dòng)器，特點(diǎn)是耐壓高，驅(qū)動(dòng)電流不大，當(dāng)交流負(fù)載電流較小時(shí)，可以直接用它來(lái)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，可以外接功率雙向可控硅。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(duì)輸出功率進(jìn)行控制時(shí)，可以采用光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器，例如MOC3010。
2. 基本工作特性（以光敏三極管為例）
（1）、共模抑制比很高
?? 在光電耦合器內(nèi)部，由于發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很小（2pF以內(nèi)）所以共模輸入電壓通過(guò)極間耦合電容對(duì)輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。
（2）、輸出特性
?? 光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流IF下，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關(guān)系，當(dāng)IF=0時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時(shí)的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。當(dāng)IF>0時(shí)，在一定的IF作用下，所對(duì)應(yīng)的IC基本上與VCE無(wú)關(guān)。IC與IF之間的變化成線性關(guān)系，用半導(dǎo)體管特性圖示儀測(cè)出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極管輸出特性相似。其測(cè)試連線如圖2，圖中D、C、E三根線分別對(duì)應(yīng)B、C、E極，接在儀器插座上。
（3）、光電耦合器可作為線性耦合器使用。
?? 在發(fā)光二極管上提供一個(gè)偏置電流，再把信號(hào)電壓通過(guò)電阻耦合到發(fā)光二極管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號(hào)，其輸出電流將隨輸入的信號(hào)電壓作線性變化。光電耦合器也可工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖信號(hào)。在傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間存在一定的延遲時(shí)間，不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器輸入、輸出延遲時(shí)間相差很大。
三、光電耦合器的分類
由于光電耦合器的品種和類型非常多，在光電子DATA手冊(cè)中，其型號(hào)超過(guò)上千種，通?？梢园匆韵路椒ㄟM(jìn)行分類：
1.按光路徑
可分為外光路光電耦合器（又稱光電斷續(xù)檢測(cè)器）和內(nèi)光路光電耦合器。外光路光電耦合器又分為透過(guò)型和反射型光電耦合器。
2.按輸出形式分
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(bǔ)輸出型等。
c、達(dá)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(mén)電路輸出型，其中包括門(mén)電路輸出型，施密特觸發(fā)輸出型，三態(tài)門(mén)電路輸出型等。
e、低導(dǎo)通輸出型（輸出低電平毫伏數(shù)量級(jí)）。
f、光開(kāi)關(guān)輸出型（導(dǎo)通電阻小余10Ω）。
3.按封裝形式分
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。
4.按傳輸信號(hào)分
可分為數(shù)字型光電耦合器（OC門(mén)輸出型，圖騰柱輸出型及三態(tài)門(mén)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）。
5.按速度分
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(hào)處理電路或者光敏集成電路輸出型）。
6.按通道分
可分為單通道，雙通道和多通道光電耦合器。
7.按隔離特性分
可分為普通隔離光電耦合器（一般光學(xué)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）。
8.按工作電壓分
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）
?
?