光耦的技术参数及其应用

　　光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内，中间通过电→光→电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）、耐压高（2.5KV左右），故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外，因其输入电阻小（约10Ω），对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。

　　

　　光耦的技术参数：

　　输入特性

　　光耦合器的输入特性实际也就是其内部发光二极管的特性。常见的参数有：

　　1. 正向工作电压Vf（Forward Voltage）

　　Vf是指在给定的工作电流下，LED本身的压降。常见的小功率LED通常以If=20mA来测试正向工作电压，当然不同的LED，测试条件和测试结果也会不一样。

　　2. 反向电压Vr（Reverse Voltage ）

　　是指LED所能承受的最大反向电压，超过此反向电压，可能会损坏LED.在使用交流脉冲驱动LED时，要特别注意不要超过反向电压。

　　3. 反向电流Ir（Reverse Current）

　　通常指在最大反向电压情况下，流过LED的反向电流。

　　4. 允许功耗Pd（Maximum Power Dissipation）

　　LED所能承受的最大功耗值。超过此功耗，可能会损坏LED.

　　5. 中心波长λp（Peak Wave Length）

　　是指LED所发出光的中心波长值。波长直接决定光的颜色，对于双色或多色LED，会有几个不同的中心波长值。

　　6. 正向工作电流If（Forward Current）

　　If是指LED正常发光时所流过的正向电流值。不同的LED，其允许流过的最大电流也会不一样。

　　7. 正向脉冲工作电流Ifp（Peak Forward Current）

　　Ifp是指流过LED的正向脉冲电流值。为保证寿命，通常会采用脉冲形式来驱动LED，通常LED规格书中给中的Ifp是以0.1ms脉冲宽度，占空比为1/10的脉冲电流来计算的。

　　

　　输出特性

　　光耦合器的输出特性实际也就是其内部光敏三极管的特性，与普通的三极管类似。常见的参数有：

　　1. 集电极电流Ic（Collector Current）

　　光敏三极管集电极所流过的电流，通常表示其最大值。

　　2. 集电极-发射极电压Vceo（C-E Voltage）

　　集电极-发射极所能承受的电压。

　　3. 发射极-集电极电压Veco（E-C Voltage）

　　发射极-集电极所能承受的电压

　　4. 反向截止电流Iceo

　　5. C-E饱和电压Vce（sat）（C-E Saturation Voltage）

　　隔离特性

　　1.入出间隔离电压Vio（Isolation Voltage）

　　光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。

　　2.入出间隔离电容Cio（Isolation Capacitance）：

　　光耦合器件输入端和输出端之间的电容值

　　3.入出间隔离电阻Rio：（Isolation Resistance）

　　半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。

　　传输特性：

　　1.电流传输比CTR（Current Transfer Radio）

　　2.上升时间Tr （Rise Time）& 下降时间Tf（Fall Time）

　　其它参数诸如工作温度、耗散功率等不再一一敷述。

　　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。

　　电流传输比是光耦合器的重要参数，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。

　　使用光电耦合器主要是为了提供输入电路和输出电路间的隔离，在设计电路时，必须遵循下列原则：所选用的光电耦合器件必须符合国内和国际的有关隔离击穿电压的标准；由英国埃索柯姆（Isocom）公司、美国FAIRCHILD生产的4N××系列（如4N25、4N26、4N35）光耦合器，在国内应用地十分普遍。可以用于单片机的输出隔离；所选用的光耦器件必须具有较高的耦合系数。

　　

　　以下为光电耦合器的常用参数：

　　反向电流IR：在被测管两端加规定反向工作电压VR时，二极管中流过的电流。

　　反向击穿电压VBR：被测管通过的反向电流IR为规定值时，在两极间所产生的电压降。

　　正向压降VF：二极管通过的正向电流为规定值时，正负极之间所产生的电压降。

　　正向电流IF：在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流。结电容CJ：在规定偏压下，被测管两端的电容值。

　　反向击穿电压V（BR）CEO：发光二极管开路，集电极电流IC为规定值，集电极与发射集间的电压降。

　　输出饱和压降VCE（sat）：发光二极管工作电流IF和集电极电流IC为规定值时，并保持IC/IF≤CTRmin时（CTRmin在被测管技术条件中规定）集电极与发射极之间的电压降。

　　反向截止电流ICEO：发光二极管开路，集电极至发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流为反向截止电流。

　　电流传输比CTR［2］：输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR.

　　脉冲上升时间tr，下降时间tf：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%，所需时间为脉冲上升时间tr.从输出脉冲后沿幅度的90%到10%，所需时间为脉冲下降时间tf.

　　传输延迟时间tPHL，tPLH：从输入脉冲前沿幅度的50%到输出脉冲电平下降到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPHL.从输入脉冲后沿幅度的50%到输出脉冲电平上升到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPLH.

　　入出间隔离电容CIO：光耦合器件输入端和输出端之间的电容值。

　　入出间隔离电阻RIO：半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。

　　入出间隔离电压VIO：光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。

　　以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在数字电路上获得广泛的应用。

　　关于光耦的使用：

　　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CTR《50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流（IF》5.0mA），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、若用放大器电路去驱动光电耦合器，必须精心设计，保证它能够补偿耦合器的温度不稳定性和漂移。

　　3、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。上述使用的光电耦合器时工作在线性方式下，在光电耦合器的输入端加控制电压，在输出端会成比例地产生一个用于进一步控制下一级电路的电压，是单片机进行闭环调节控制，对电源输出起到稳压的作用。

　　为了彻底阻断干扰信号进入系统，不仅信号通路要隔离，而且输入或输出电路与系统的电源也要隔离，即这些电路分别使用相互独立的隔离电源。对于共模干扰，采用隔离技术，即利用变压器或线性光电耦合器，将输入地与输出地断开，使干扰没有回路而被抑制。在开关电源中，光电耦合器是一个是非常重要的外围器件，设计者可以充分的利用它的输入输出隔离作用对单片机进行抗干扰设计，并对变换器进行闭环稳压调节。

　　光耦的应用技巧：

　　光电耦合器可根据不同要求，由不同种类的发光元件和光敏元件组合成许多系列的光电耦合器。目前应用最广的是发光二极管和光敏三极管组合成的光电耦合器，其内部结构如图1a所示。

　　光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。对于既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分的工业应用测控系统，采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。但是，使用光耦隔离需要考虑以下几个问题：

　　① 光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问题；

　　② 光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题；

　　③ 如果输出有功率要求的话，还得考虑光耦的功率接口设计问题。

　　1 光电耦合器非线性的克服

　　光电耦合器的输入端是发光二极管，因此，它的输入特性可用发光二极管的伏安特性来表示，如图1b所示；输出端是光敏三极管，因此光敏三极管的伏安特性就是它的输出特性，如图1c所示。由图可见，光电耦合器存在着非线性工作区域，直接用来传输模拟量时精度较差。

　　

　　解决方法之一，利用2个具有相同非线性传输特性的光电耦合器，T1和T2，以及2个射极跟随器A1和A2组成，如图2所示。如果T1和T2是同型号同批次的光电耦合器，可以认为他们的非线性传输特性是完全一致的，即K1（I1）=K2（I1），则放大器的电压增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=（R3/R2）［K1（I1）/K2（I1）］=R3/R2。由此可见，利用T1和T2电流传输特性的对称性，利用反馈原理，可以很好的补偿他们原来的非线性。

　　

　　另一种模拟量传输的解决方法，就是采用VFC（电压频率转换）方式，如图3所示。现场变送器输出模拟量信号（假设电压信号），电压频率转换器将变送器送来的电压信号转换成脉冲序列，通过光耦隔离后送出。在主机侧，通过一个频率电压转换电路将脉冲序列还原成模拟信号。此时，相当于光耦隔离的是数字量，可以消除光耦非线性的影响。这是一种有效、简单易行的模拟量传输方式。

　　

　　当然，也可以选择线性光耦进行设计，如精密线性光耦TIL300，高速线性光耦6N135/6N136。线性光耦一般价格比普通光耦高，但是使用方便，设计简单；随着器件价格的下降，使用线性光耦将是趋势。

　　2 提高光电耦合器的传输速度

　　当采用光耦隔离数字信号进行控制系统设计时，光电耦合器的传输特性，即传输速度，往往成为系统最大数据传输速率的决定因素。在许多总线式结构的工业测控系统中，为了防止各模块之间的相互干扰，同时不降低通讯波特率，我们不得不采用高速光耦来实现模块之间的相互隔离。常用的高速光耦有6N135/6N136，6N137/6N138。但是，高速光耦价格比较高，导致设计成本提高。这里介绍两种方法来提高普通光耦的开关速度。

　　由于光耦自身存在的分布电容，对传输速度造成影响，光敏三极管内部存在着分布电容Cbe和Cce，如图4所示。由于光耦的电流传输比较低，其集电极负载电阻不能太小，否则输出电压的摆幅就受到了限制。但是，负载电阻又不宜过大，负载电阻RL越大，由于分布电容的存在，光电耦合器的频率特性就越差，传输延时也越长。

　　

　　用2只光电耦合器T1，T2接成互补推挽式电路，可以提高光耦的开关速度，如图5所示。当脉冲上升为“1”电平时，T1截止，T2导通。相反，当脉冲为“0”电平时，T1导通，T2截止。这种互补推挽式电路的频率特性大大优于单个光电耦合器的频率特性。

　　

　　此外，在光敏三极管的光敏基极上增加正反馈电路，这样可以大大提高光电耦合器的开关速度。如图6所示电路，通过增加一个晶体管，四个电阻和一个电容，实验证明，这个电路可以将光耦的最大数据传输速率提高10倍左右。

　　

　　3 光耦的功率接口设计

　　微机测控系统中，经常要用到功率接口电路，以便于驱动各种类型的负载，如直流伺服电机、步进电机、各种电磁阀等。这种接口电路一般具有带负载能力强、输出电流大、工作电压高的特点。工程实践表明，提高功率接口的抗干扰能力，是保证工业自动化装置正常运行的关键。

　　就抗干扰设计而言，很多场合下，我们既能采用光电耦合器隔离驱动，也能采用继电器隔离驱动。一般情况下，对于那些响应速度要求不很高的启停操作，我们采用继电器隔离来设计功率接口；对于响应时间要求很快的控制系统，我们采用光电耦合器进行功率接口电路设计。这是因为继电器的响应延迟时间需几十ms，而光电耦合器的延迟时间通常都在10us之内，同时采用新型、集成度高、使用方便的光电耦合器进行功率驱动接口电路设计，可以达到简化电路设计，降低散热的目的。

　　图7是采用光电耦合器隔离驱动直流负载的典型电路。因为普通光电耦合器的电流传输比CRT非常小，所以一般要用三极管对输出电流进行放大，也可以直接采用达林顿型光电耦合器（见图8）来代替普通光耦T1。例如东芝公司的4N30。对于输出功率要求更高的场合，可以选用达林顿晶体管来替代普通三极管，例如ULN2800高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，它的输出电流和输出电压分别达到500mA和50V。

　　

　　对于交流负载，可以采用光电可控硅驱动器进行隔离驱动设计，例如TLP541G，4N39。光电可控硅驱动器，特点是耐压高，驱动电流不大，当交流负载电流较小时，可以直接用它来驱动，如图9所示。当负载电流较大时，可以外接功率双向可控硅，如图10所示。其中，R1为限流电阻，用于限制光电可控硅的电流；R2为耦合电阻，其上的分压用于触发功率双向可控硅。

　　

　　当需要对输出功率进行控制时，可以采用光电双向可控硅驱动器，例如MOC3010。图11为交流可控驱动电路，来自微机的控制信号 经过光电双向可控硅驱动器T1隔离，控制双向可控硅T2的导通，实现交流负载的功率控制。

　　

　　图12为交流电源输出直流可控电路。来自微机的控制信号 经过光电双向可控硅驱动器隔离，控制可控硅桥式整流电路导通，实现交流一直流的功率控制。此电路已经应用在我们实验室研制的新型电机控制设备中，效果良好。

　　

　　光耦的应用：

　　由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用以下场合：

　　⑴ 在逻辑电路上的应用

　　⑵ 作为固体开关应用

　　⑶ 在触发电路上的应用

　　⑷ 在脉冲放大电路中的应用光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。

　　⑸ 在线性电路上的应用

　　⑹ 特殊场合的应用。

　　线性光耦合器的选取原则

　　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CTR《50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流

　　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，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。