基本介紹
- 中文名：光電耦合器
- 外文名：optical coupler
- 英文縮寫：OC
- 分類：屬於光電轉換原件
耦合器介紹,工作原理,基本原理,基本工作特性,結構特點,結構,特點,儀器測試,套用,開關電路,具體套用,組成開關電路,組成邏輯電路,隔離耦合電路,高壓穩壓電路,照明燈電路,分類,按光路徑分,按輸出形式分,按封裝形式分,按傳輸信號分,按速度分,按通道分,按隔離特性分,按工作電壓分,選取原則,注意事項,發展現狀,套用前景,
耦合器介紹
光電耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光電耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的套用。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：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極體（LED），使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大後輸出。這就完成了電—光—電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由於光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。
光電耦合器是一種把發光器件和光敏器件封裝在同一殼體內， 中間通過電→光→電的轉換來傳輸電信號的半導體光電子器件。其中，發光器件一般都是發光二極體。 而光敏器件的種類較多，除光電二極體外，還有光敏三極體、光敏電阻、光電晶閘管等。 光電耦合器可根據不同要求， 由不同種類的發光器件和光敏器件組合成許多系列的光電耦合器。
圖1顯示了一個典型的光電耦合器驅動電路。在該例中，右邊的5V副邊輸出將會被左邊原邊電路的脈寬調製器控制。
比較器A1將ZDl(結點A)的參考電壓和通過分壓電路R7和R8的輸出電壓進行比較，因而控制Q2的導通狀態，可以定義發光二極體D1的電流和通過光耦合在光敏電晶體Q1的集電極電流。然後Q1定義脈衝寬度和輸出電壓，補償任何使輸出電壓改變的傾向。
隨著光電耦合器的使用時間增加和傳輸比即增益的下降，為了防止控制失靈，給Q2提供充足的驅動電流裕量是很有必要的。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極體型、光電三極體型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、積體電路型等。（外形有金屬圓殼封裝，塑封雙列直插等）。
光電耦合器實物圖
光電耦合器實物圖工作原理
基本原理
在光電耦合器輸入端加電信號使發光源發光，光的強度取決於激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上後，因光電效應而產生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現了電一光一電的轉換。
光電耦合器主要由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。 光的發射部分主要由發光器件構成，發光器件一般都是發光二極體，發光二極體加上正向電壓時，能將電能轉化為光能而發光，發光二極體可以用直流、交流、脈衝等電源驅動，但發光二極體在使用時必須加正向電壓。光的接收部分主要由光敏器件構成，光敏器件一般都是光敏電晶體， 光敏電晶體是利用 PN 結在施加反向電壓時，在光線照射下反向電阻由大變小的原理來工作的。
光的信號放大部分主要由電子電路等構成。發光器件的管腳為輸入端，而光敏器件的管腳為輸出端。工作時把電信號加到輸入端，使發光器件的芯體發光， 而光敏器件受光照後產生光電流並經電子電路放大後輸出，實現電→光→電的轉換，從而實現輸入和輸出電路的電器隔離。由於光電耦合器輸入與輸出電路間互相隔離，且電信號在傳輸時具有單向性等優點， 因而光電耦合器具有良好的抗電磁波干擾能力和電絕緣能力。
基本工作特性
1、共模抑制比很高
在光電耦合器內部，由於發光管和受光器之間的耦合電容很小（2pF以內）所以共模輸入電壓通過極間耦合電容對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之間的關係，當IF=0時，發光二極體不發光，此時的光敏電晶體集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。當IF>0時，在一定的IF作用下，所對應的IC基本上與VCE無關。IC與IF之間的變化成線性關係，用半導體管特性圖示儀測出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極體輸出特性相似。其測試連線如圖2，圖中D、C、E三根線分別對應B、C、E極，接在儀器插座上。
3、隔離特性
1．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．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．隔離電阻Rio：（Isolation Resistance）
半導體光耦合器輸入端和輸出端之間的絕緣電阻值。
4、傳輸特性：
1．電流傳輸比CTR（Current Transfer Radio）
輸出管的工作電壓為規定值時，輸出電流和發光二極體正向電流之比為電流傳輸比CTR。
2．上升時間Tr （Rise Time）& 下降時間Tf（Fall Time）
光電耦合器在規定工作條件下，發光二極體輸入規定電流IFP的脈衝波，輸出端管則輸出相應的脈衝波，從輸出脈衝前沿幅度的10%到90%，所需時間為脈衝上升時間tr。從輸出脈衝後沿幅度的90%到10%，所需時間為脈衝下降時間tf。
其它參數諸如工作溫度、耗散功率等不再一一複述。
5、光電耦合器可作為線性耦合器使用。
在發光二極體上提供一個偏置電流，再把信號電壓通過電阻耦合到發光二極體上，這樣光電電晶體接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號，其輸出電流將隨輸入的信號電壓作線性變化。光電耦合器也可工作於開關狀態，傳輸脈衝信號。在傳輸脈衝信號時，輸入信號和輸出信號之間存在一定的延遲時間，不同結構的光電耦合器輸入、輸出延遲時間相差很大。
結構特點
結構
光電耦合器的主要結構是把發光器件和光接收器件組裝在一個密閉的管殼內 , 然後利用發光器件的管腳作輸入端, 而把光接收器的管腳作為輸出端 。當在輸入端加電信號時,發光器件發光。這樣,光接收器件由於光敏效應而在光照後產生光電流並由輸出端輸出。從而實現了以“光”為媒介的電信號傳輸 , 而器件的輸入和輸出兩端在電氣上是絕緣的 。這樣就構成了一種中間通過光傳輸信號的新型半導體光電子器件。光電耦合器的封裝形式一般有管形、雙列直插式和光導纖維連線三種。具有體積小、使用壽命長、工作溫度範圍寬、抗干擾性能強．無觸點且輸入與輸出在電氣上完全隔離等優點。
特點
光電耦合的主要特點如下 :
：①光信號單向傳輸 ，輸出信號對輸入端無反饋，可有效阻斷電路或系統之間的電聯繫，但並不切斷他們之間的信號傳遞。②隔離性能好，輸入端與輸出端之間完全實現了電隔離。③光信號不受電磁波干擾，工作穩定可靠。④光發射器件與光敏器件的光譜匹配十分理想，回響速度快，傳輸效率高，光電耦合器件的時間常數通常在微秒甚至毫微秒級。 ⑤抗共模干擾能力強，能很好地抑制干擾並消除噪音。 ⑥無觸點，使用壽命長，體積小，耐衝擊能力強。 ⑦易與邏輯電路連線。⑧工作溫度範圍寬，符合工業和軍用溫度標準。
由於光電耦合器的輸入端是發光器件，發光器件是阻抗電流驅動性器件，而噪音是一種高內阻微電流電壓信號。 因此光電耦合器件的共模抑制比很大，光電耦合器件可以很好地抑制干擾並消除噪音。它在計算機數字通信及實時控制電路中作為信號隔離的接口元件可以大大增加計算機工作的可靠性。 在長線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大幅度提高信噪比。所以，它在各種電路中得到了廣泛的套用。目前已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。
輸入和輸出端之間絕緣 , 其絕緣電阻一般都大於 10Ω, 耐壓一般可超過 1kV , 有的甚至可以達到 10kV 以上 。由於“光” 傳輸的單向性 , 所以信號從光源單向傳輸到光接收器時不會出現反饋現象, 其輸出信號也不會影響輸入端。由於發光器件( 砷化鎵紅外二極體) 是阻抗電流驅動性器件 , 而噪音是一種高內阻微電流的電壓信號 。因此光電耦合器件的共模抑制比很大 ,所以,光電耦合器件可以很好地抑制干擾並消除噪音。它在計算機數字通信及實時控制電路中作為信號隔離的接口元件可以大大增加計算機工作的可靠性。 在長線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大幅度提高信噪比。所以，它在各種電路中得到了廣泛的套用。目前已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。
儀器測試
光電耦合器的測試
1、用萬用表判斷好壞，如圖3，斷開輸入端電源，用R×1k檔測1、2腳電阻，正向電阻為幾百歐，反向電阻幾十千歐，3、4腳間電阻應為無限大。1、2腳與3、4腳間任意一組，阻值為無限大，輸入端接通電源後，3、4腳的電阻很小。調節RP，3、4間腳電阻發生變化，說明該器件是好的。註：不能用R×10k檔，否則導致發射管擊穿。
2、簡易測試電路，如圖（4），當接通電源後，LED不發光，按下SB，LED會發光，調節RP、LED的發光強度會發生變化，說明被測光電耦合器是好的。
套用
在長線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大幅度提高信噪比。所以，它在各種電路中得到了廣泛的套用。目前已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。
開關電路
圖1對於開關電路，往往要求控制電路和開關電路之間要有很好的電隔離，這對於一般的電子開關來說是很難做到的，但採用光電耦合器就很容易實現了。圖1中（a）所示電路就是用光電耦合器組成的簡單開關電路。
在圖1（a）中，當無脈衝信號輸入時，三極體BG處於截止狀態，發光二極體無電流流過不發光，則a、b兩端電阻非常大，相當於開關“斷開”。當輸入端加有脈衝信號時，BG導通，發光二極體發光，則a、b兩端電阻變得很小，
圖1 相當於開關“接通”。故稱無信號時開關不通，為常開狀態。
圖1中（b）所示電路則為“常閉”狀態，因為無信號輸入時，雖BG截止，但發光二極體有電流通過而發光，使a、b兩端處於導通狀態，相當於開關“接通”。當有信號輸入時，BG導通，由於BG的集電結壓降在0．3V以下，遠小於發光二極體的正嚮導通電壓，所以發光二極體無電流流過不發光，則a、b兩端電阻極大，相當於開關“斷開”，故稱“常閉”式。
可見，開關a、b端在電路中不受電位高低的限制，但在使用中應滿足a端電位為正，b端為負，並使U&ab>3V為好，同時還應注意Uab應小於光電三極體的BVceo。
依據圖1的原理，光電耦合器可以組成如圖2中（a）、（b）等多種形式。
具體套用
光電耦合器具體套用
組成開關電路
當輸入信號ui為低電平時，電晶體V1處於截止狀態，光電耦合器B1中發光二極體的電流近似為零，輸出端Q11、Q12間的電阻很大，相當於開關“斷開”；當ui為高電平時，v1導通，B1中發光二極體發光，Q11、Q12間的電阻變小，相當於開關“接通”．該電路因Ui為低電平時，開關不通，故為高電平導通狀態．同理，圖2電路中，因無信號(Ui為低電平)時，開關導通，故為低電平導通狀態。
組成邏輯電路
隔離耦合電路
這是一個典型的交流耦合放大電路．適當選取發光迴路限流電阻Rl，使B4的電流傳輸比為一常數，即可保證該電路的線性放大作用。
高壓穩壓電路
驅動管需採用耐壓較高的電晶體(圖中驅動管為3DG27)。當輸出電壓增大時，V55
的偏壓增加，B5中發光二極體的正向電流增大，使光敏管極間電壓減小，調整管be結偏壓降低而內阻增大，使輸出電壓降低，而保持輸出電壓的穩定。
照明燈電路
A是四組模擬電子開關（S1~S4）：S1，S2，S3並聯（可增加驅動功率及抗干擾能力）用於延時電路，當其接通電源後經R4，B6驅動雙向可控矽VT，VT直接控制門廳照明燈H；S4與外接光敏電阻Rl等構成環境光線檢測電路。當門關閉時，安裝在門框上的常閉型乾簧管KD受到門上磁鐵作用，其觸點斷開，S1，S2，S3處於數據開狀態。晚間主人回家打開門，磁鐵遠離KD，KD觸點閉合。此時9V電源整流後經R1向C1充電，C1兩端電壓很快上升到9V，整流電壓經S1，S2，S3和R4使B6內發光管發光從而觸發雙向可控矽導通，VT亦導通，H點亮，實現自動照明控制作用。房門關閉後，磁鐵控制KD，觸點斷開，9V電源停止對C1充電，電路進入延時狀態。C1開始對R3放電，經一段時間延遲後，C1兩端電壓逐漸下降到S1，S2，S3的開啟電壓（1.5v)以下，S1，S2，S3恢復斷開狀態，導致B6截止，VT亦截止，H熄來，實現延時關燈功能。
分類
由於光電耦合器的品種和類型非常多，在光電子DATA手冊中，其型號超過上千種，通常可以按以下方法進行分類：
按光路徑分
可分為外光路光電耦合器（又稱光電斷續檢測器）和內光路光電耦合器。外光路光電耦合器又分為透過型和反射型光電耦合器。
按輸出形式分
b、NPN三極體輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型，互補輸出型等。
c、達林頓三極體輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型。
e、低導通輸出型（輸出低電平毫伏數量級）。
f、光開關輸出型（導通電阻小餘10Ω）。
g、功率輸出型（IGBT/MOSFET等輸出）。
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。
按傳輸信號分
可分為數字型光電耦合器（OC門輸出型，圖騰柱輸出型及三態門電路輸出型等）和線性光電耦合器（可分為低漂移型，高線性型，寬頻型，單電源型，雙電源型等）。
按速度分
可分為低速光電耦合器（光敏三極體、光電池等輸出型）和高速光電耦合器（光敏二極體帶信號處理電路或者光敏積體電路輸出型）。
按通道分
可分為單通道，雙通道和多通道光電耦合器。
按隔離特性分
可分為普通隔離光電耦合器（一般光學膠灌封低於5000V，空封低於2000V）和高壓隔離光電耦合器（可分為10kV,20kV,30kV等）。
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（一般大於30V）。
選取原則
在設計光耦光電隔離電路時必須正確選擇光耦合器的型號及參數，選取原則如下：
(1)由於光電耦合器為信號單向傳輸器件，而電路中數據的傳輸是雙向的，電路板的尺寸要求一定，結合電路設計的實際要求，就要選擇單晶片集成多路光耦的器件。
(2)光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許範圍是不小於500%。因為當CTR<500%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流(>5.0 mA)，才能保證信號在長線傳輸中不發生錯誤，這會增大光耦的功耗。
(3)光電耦合器的傳輸速度也是選取光耦必須遵循的原則之一，光耦開關速度過慢，無法對輸入電平做出正確反應，會影響電路的正常工作。
(4)推薦採用線性光耦。其特點是CTR值能夠在一定範圍內做線性調整。設計中由於電路輸入輸出均是一種高低電平信號，故此，電路工作在非線性狀態。而線上性套用中，因為信號不失真的傳輸，所以，應根據動態工作的要求，設定合適的靜態工作點，使電路工作線上性狀態。
通常情況下，單晶片集成多路光耦的器件速度都比較慢，而速度快的器件大多都是單路的，大量的隔離器件需要占用很大布板面積，也使得設計的成本大大增加。在設計中，受電路板尺寸、傳輸速度、設計成本等因素限制，無法選用速度上非常占優勢的單路光耦器件，在此選用TOSHIBA公司的TLP521-4。
注意事項
第一、 必須加反向電壓；
第二、光敏電晶體管殼必須保持清潔。
發展現狀
日本光電耦合器的市場雖不太大 , 但卻以 40 %的年增長率增大, 其主要原因是每一個程式控制器里都要用到 20～ 30 個甚至更多的光電耦合器 。現在, 光電耦合器已顯示出一種朝大容量和高速度方向發展的明顯趨勢 。美 、 日兩國生產的光電耦合器以紅外發光二極體和光敏器件管組成的器件為主 ,該類器件大約占整個美 、 日兩國生產的全部光電耦合器的 60 %左右。因為這種類型的器件不僅電流傳輸效率高 ( 一般為 7 ～ 30%), 而且回響速度比較快( 2～ 5μ s), 因而能夠滿足大多數套用場合要求 。
近幾年來, 國內有關單位投入大量人力物力也研究和開發了各種光電耦合器件。如上海半導體器件八廠 、上海無線電十七廠等。而重慶光電技術研究所為了適應市場需要研製出了一種由高速回響發光器件和邏輯輸出型光接收放大器組成的厚膜集成雙路高速高增益光電耦合器。這種光電耦合器的輸入端由兩隻 GaAlAs 側面發光管組成, 其輸出端由兩隻 Si —PIN光電探測器以及兩個高速高增益線性放大電路組成 。重慶光電技術研究所還研製出了高速高壓光電耦合器 、GG2150I型射頻信號光電耦合器 、GG2060I 型高壓脈衝測量光電耦合器 、GH1204U 型高壓傳輸光電耦合器以及 GH1201Y型 和 GOHQ—I型光電耦合器 等。
套用前景
光電耦合器在多種電子設備中的套用非常廣泛。隨著數字通信技術的迅速發展以及光隔離器和固體繼電器等自動控制部件在機械工業中的套用不斷擴大, 特別是微處理機在各個領域中的套用推廣( 有時一台微機上的用量可達十幾個甚至上百個) 和產品性能的逐步提高, 光電耦合器的套用市場將日益擴大, 同時, 其社會效益和經濟效益也會十分顯著 。今後, 光電耦合器將向高速化、高性能, 小體積, 輕重量的方向發展。
