贴片式光电耦合器的电路及参数特点

光电耦合器是一种由发光器件和光敏器件组合构成的通用光电器件。它以光为媒介，完成电—光~电信号的变换及传输，把输入信号耦合到输出端。该器件具有体积小、无机械触头、抗干扰能力强、工作寿命长、输入及输出之间绝缘、能传输模拟信号及数字信号的特点，广泛地用予隔离电路、开关电路、电源电路、逻辑电路、电平转换电路、过流保护电路等。为满足各种电路不同的输入、输出性能要求，光电耦合器有不同的结构及特性，并形成系列，供用户选择。例如，其输人信号可以是直流或交流，其输出部分可以接不同的工作电压及输出不同的电流，它可以满足不同速度传输信号的要求等。光电耦合器种类繁多，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。

一、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。

图1光耦的内部结构（剖面）

图2光耦的结构示意图

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。由于输入侧与输出侧之间存在分布电容，以及输出器件的结电容，它在高顿时对传输信号有影响。采用硅光电二极管的最高工作频率可达1MHz（TLP112）﹔面用硅光电点极管的最高工作频率要低一些，为500kHz；采用达林顿的则更低（约1kHz）。

二、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。

图3光耦的基本电路

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。

图4光耦应用之电平转换

三、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。顶面有圆圈者为第1管脚。

图5光耦引脚示意图

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。

四、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。主要参数如图6所示。

图6光耦主要参数

这里要说明一下电流传输比（CTR）这个参数的意义。CTR是CurrentTransferRatio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）。

五、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。

图7光耦测量示意图

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。