光电耦合器及其应用（１）

方佩敏

光电耦合器(以下简称光耦)是一种发光器件和光敏器件组成的光电器件。它能实现电—光—电信号的变换，并且输入信号与输出信号是隔离的。目前极大多数的光耦输入部分采用砷化镓红外发光二极管，输出部分采用硅光电二极管、硅光电三极管及光触发可控硅。这是因为峰值波长900～940nm的砷化镓红外发光二极管能与硅光电器件的响应峰值波长相吻合，可获得较高的信号传输效率。

光耦的结构

光耦的内部结构(剖面)如图1所示。光耦输入部分大都是红外发光二极管，输出部分有不同的光敏器件，如图2所示。

这里要说明的是，图2(c)的输入部分有两个背对背的红外发光二极管，它用于交流输入的场合；图2(d)采用达林顿输出结构，它可使输出获得较大的电流；图2(e)、2(f)的输出由光触发双向可控硅组成，它们主要用来驱动交流负载。图2(e)与图2(f)的差别是图2(f)有过零触发控制(图中的“ZC”即“过零”的意思)，而图2(e)没有过零触发控制电路。

基本电路

光耦的基本电路如图3所示。图3(a)的负载电阻RL接在发射极及地之间，图3(b)的负载电阻RL接在电源Vdd与集电极之间。

在图3(a)中，输入端加上Vcc电压，经限流电阻Rin后，有一定的电流IF流经红外发光二极管，IF与Vcc、发光二极管的正向压降VF及Rin的关系为：IF=(Vcc-VF)/Rin。式中的VF取1.3V。IF的最大值由资料给出(一般工作时IF≤10mA)。

发光二极管发光后，光电三极管导通，集电极电流Ic由Vdd经光电三极管流过RL到地，使输出电压Vout=Ic×RL(或Vout=Vdd-VCE，VCE为光电三极管的管压降)。

图3(b)的工作原理与图3(a)相同，不再重复。图3中输入、输出也可用各自的地。

从图3(a)可以看出；输入端不加Vcc电压，输出端Vout=0V，输入端加了Vcc电压，负载得电，这个功能相当于“继电器”。如果在输入端加幅值为5V的脉冲(如图4所示)，输出端Vdd=12V，RL=10kΩ，则输出的脉冲幅值接近12V，从这功一能来看，相当于“变压器”；若输入电压从0跃变到+5V，输出则从0跃变到接近12V，它又可用作电平转换。

特点及应用范围

光耦的主要特点：输入与输出之间绝缘(绝缘电压可达数千伏)；信号传输为单方向，输出信号不会对输入信号有影响；能传输模拟信号也可传输数字信号；抗干扰能力强；体积小、寿命长；由于无触头，因此抗振性强。近年来由于生产工艺改进，SMT的发展，开发出性能更好、尺寸更小的贴片式光耦，它由DIP6管脚封装改进成4管脚封装，不仅改小尺寸，并且减小了干扰，如图5所示，但有一些公司其管脚仍按6管脚排列，如图2所示。顶面有圆圈者为第1管脚，如图6所示。

由于该类器件有上述特点，它主要应用于隔离电路、开关电路、逻辑电路、信号长线传输、线性放大电路、隔离反馈电路、控制电路及电平转换电路等。

光耦主要参数

本文介绍NEC公司及TOSHIBA公司生产的一些常用的贴片式光耦及其主要参数。主要参数如表1及表2所示。

这里要说明一下电流传输比(CTR)这个参数的意义。CTR是Current Transfer Ratio 的缩写。它是在一定工作条件下(IF及VCE)，光耦的输出电流Ic与输入电流IF的比值，一般用百分比表示，其值低的从几到几十，高的从几十到几百，达林顿输出型可达上千。CTR大，则在同样的IF下，输出电流Ic大，驱动负载的能力也强(或者说IF较小可获得大的Ic)。

这里顺便指出，当用光电耦合器作交流信号传输时，必须考虑它的频率特性。采用GaAs发光二极管及硅光电三极管的光耦，其最高工作频率约为500kHz；其响应时间小于10μs。

在使用时要注意的红外发光二极管的反压VR一般是很低的，有的VR仅3V。因此在使用时输入端不能接反，防止红外发光二极管因反压过高而击穿(可在1脚、3脚接一个反向二极管来保护，如图4所示)。

光耦的简易测量方法

光电三极管输出的光耦是应用最广泛的，若顶面印刷字迹或圆点看不清楚，可采用指针式三用表来测量，确认哪个管脚是1脚，并且也可简易测出光耦的好坏。

由于它是一个二极管及一个三极管c、e极组成的，所以用R×1k挡来测量是十分方便的。只要测出一个二极管：黑表笔接二极管的阳极，红表笔接二极管的阴极，其阻值约30kΩ，则黑表笔端即1脚。如图7所示，其它三种测量都应是R=∞(表笔不动)。若光电三极管的测量电阻不是∞，则此光耦不能用(待续)。