[科普中国]-光耦合器

光耦合器（OC）亦称光隔离器，简称光耦，是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它以光作为媒介把输入端的电信号转换为光信号，耦合到输出端再转换为电信号，因此称为光耦合器。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。发光器件常采用发光二极管或激光管；接收器件常用光敏二极管、光敏晶体管及光集成电路等。1

光耦合器对输入、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。

光耦合器的分类和结构原理光耦合器的种类较多，常见有光敏二极管型、光敏晶体管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。光耦合器的结构原理如图1所示。通常发光器件采用发光二极管。接收器中采用光敏二极管的，如图1a所示；接收器中采用光敏晶体管的，如图1b所示；还有以光集成组件为接收器件的，如图1c所示，它的接收器为光敏二极管一高速开关晶体管组件；图1d中接收器为光敏晶体管一达林顿晶体管组件；图1e的接收器为光集成电路。1

光耦合器的工作特性光耦合器的工作特性如下：

（1）共模抑制比很高。在光耦合器内部，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问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。光耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏晶体管所加偏置电压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之间的变化呈线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光耦合器的输出特性与普通晶体管输出特性相似。

（3）隔离特性。包括隔离电压、隔离电容和隔离电阻等。隔离电压即光耦合器输入端和输出端之间的绝缘耐压值；隔离电容即光耦合器件输入端和输出端之间的电容值；隔离电阻即半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。

（4）传输特性包括电流传输比上升时间和下降时间等。

（5）光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，这样光敏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做线性变化。光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耦合器输入、输出延迟时间相差很大。1

光耦合器的特点和应用光耦合器具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输出和输入之间隔离、可单向传输信号等特点，有时还可以取代继电器、变压器、斩波器等。1现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。

光耦合器的技术参数光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压V（BR）CEO、集电极-发射极饱和压降VCE（sat）。此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。

最重要的参数是电流放大系数传输比CTR（Curremt-Transfer Ratio）。通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。当接收管的电流放大系数hFE为常数时，它等于输出电流IC之比，通常用百分数来表示。有公式：

采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围大多为20%~30%（如4N35），而PC817则为80%~160%，达林顿型光耦合器（如4N30）可达100%~500%。这表明欲获得同样的输出电流，后者只需较小的输入电流。因此，CTR参数与晶体管的hFE有某种相似之处。普通光耦合器的CTR-IF特性曲线呈非线性，在IF较小时的非线性失真尤为严重，因此它不适合传输模拟信号。线性光耦合器的CTR-IF特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号时，其交流电流传输比(ΔCTR=ΔIC/ΔIF)很接近于直流电流传输比CTR值。因此，它适合传输模拟电压或电流信号，能使输出与输入之间呈线性关系。这是其重要特性。在设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光耦合器的型号及参数，选取原则如下：

（1）光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是50%～200%。这是因为当CTR5.0mA)，才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。若CTR>200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。

（2）推荐采用线性光耦合器，其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。

（3）由英国埃索柯姆（Isocom）公司、美国摩托罗拉公司生产的4N××系列(如4N25 、4N26、4N35)光耦合器，2012年在国内应用地十分普遍。鉴于此类光耦合器呈现开关特性，其线性度差，适宜传输数字信号(高、低电平)，因此不推荐用在开关电源中。

光电隔离微机有多个输入埠，接收来自远处现场设备传来的状态信号，微机对这些信号处理后，输出各种控制信号去执行相应的操作。在现场环境较恶劣时，会存在较大的杂讯干扰，若这些干扰随输入信号一起进入微机系统，会使控制准确性降低，产生误动作。因而，可在微机的输入和输出端，用光耦作介面，对信号及杂讯进行隔离。典型的光电耦合电路如图2所示。该电路主要应用在“A/D转换器”的数位信号输出，及由CPU发出的对前向通道的控制信号与类比电路的介面处，从而实现在不同系统间信号通路相联的同时，在电气通路上相互隔离，并在此基础上实现将类比电路和数位电路相互隔离，起到抑制交叉串扰的作用。

对于线性类比电路通道，要求光电耦合器必须具有能够进行线性变换和传输的特性，或选择对管，采用互补电路以提高线性度，或用V/F变换后再用数位光耦进行隔离。

驱动电路在微机控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过微机的I/O输出，而I/O的驱动能力有限，一般不足以驱动一些点磁执行器件，需加接驱动介面电路，为避免微机受到干扰，须采取隔离措施。如可控硅所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控制信号与可控硅触发电路进行隔离。电路实例如图3所示。

在马达控制电路中，也可采用光耦来把控制电路和马达高压电路隔离开。马达靠MOSFET或IGBT功率管提供驱动电流，功率管的开关控制信号和大功率管之间需隔离放大级。在光耦隔离级—放大器级—大功率管的连接形式中，要求光耦具有高输出电压、高速和高共模抑制。

距离传送在电脑应用系统中，由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输，信号在传输过程中很易受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真；另外，在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，常因设备间的地线电位差，导致地环路电流，对电路形成差模干扰电压。为确保长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔离措施，将2个电路的电气连接隔开，切断可能形成的环路，使他们相互独立，提高电路系统的抗干扰性能。若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光电耦合器将长线完全“浮置”起来，如图4所示。

长线的“浮置”去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各电路的电流经公共地线时所产生杂讯电压形成相互窜扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配问题；同时，受控设备短路时，还能保护系统不受损害。

检测电路零交叉，即过零检测，指交流电压过零点被自动检测进而产生驱动信号，使电子开关在此时刻开始开通。现代的零交叉技术已与光电耦合技术相结合。图5为一种单片机数控交流调压器中可使用的过零检测电路。

220V交流电压经电阻R1限流后直接加到2个反向并联的光电耦合器GD1，GD2的输入端。在交流电源的正负半周，GD1和GD2分别导通，U0输出低电平，在交流电源正弦波过零的瞬间，GD1和GD2均不导通，U0输出高电平。该脉冲信号经反闸整形后作为单片机的中断请求信号和可控硅的过零同步信号。

注意事项

（1）在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。

（2）当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号（包括数位量信号、控制量信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。

光耦合器的选型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CTR5.0 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。

光耦合器的检测方法判断光耦的好坏，可测量其内部二极管和三极管的正反向电阻来确定。更可靠的检测方法是以下三种：

1、比较法

拆下怀疑有问题的光耦，用万用表测量其内部二极管；三极管的正反向电阻值，用其与好的光耦对应脚的测量值进行比较，若阻值相差较大，则说明光耦已损坏。

2、数宇万用表检测法

下面以PCIll光耦检测为例来说明数字万用表检测的方法，检测时将光耦内接二极管的+端①脚和—端②脚分别插入数字万用表的hfE的c，e插孔内，此时数字万用表应置于NPN挡；然后将光耦内接光电三极管c极⑤脚接指针式万用表的黑表笔，e极④脚接红表笔，并将指针式万用表拨在Rxlk挡。这样就能通过指针式万用表指针的偏转角度——实际上是光电流的变化，来判断光耦的情况。指针向右偏转角度越大，说明光耦的光电转换效率越高，即传输比越高，反之越低；若表针不动，则说明光耦已损坏。

3、光电效应判断法

仍以ICIll光电耦合器的检测为例，将万用表置于Rxlk电阻挡，两表笔分别接在光耦的输出端④、⑤脚，然后用一节1.5V的电池与一只50~100欧的电阻串接后，电池的正极端接PC111的①脚，负极端碰接②脚，或者正极端碰接①脚，负极端接②脚，这时观察接在输出端万用表的指针偏转情况。如果指针摆动，说明光耦是好的，如果不摆动，则说明光耦已损坏。万用表指针摆动偏转角度越大，表明光电转换灵敏度越高。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学