光电耦合器件简介

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1、光电耦合器件简介光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电一光和光一电的转换器件。光电耦合器分为很多种类，图1所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。对丁数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛

2、。发光二极管光敏三极管4图一最常用的光电耦合器之内部结构图三极管接收型4脚封装图二光电耦合器之内部结构图三极管接收型6脚封装图三光电耦合器之内部结构图双发光二极管输入三极管接收型4脚封装图四光电耦合器之内部结构图可控硅接收型6脚封装图五光电耦合器之内部结构图双二极管接收型6脚封装光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号杂讯比大为提高,主要有以下几方面的原因：(1) 光电耦合器的输入阻抗很小，只有几白欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105106Q。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由丁没

3、有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻乂很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。(2) 光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。(3) 光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有10s左右，适丁对回应速度要求很高的场合。光电隔离技术的应用微机介面电路中的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

4、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6所示。该电路主要应用在“A/D转换器”的数位信号输出，及由CPUS：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问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，起到抑制交义申扰的作用。+SV图六光电耦合器接线原理对丁线性类比电路通道，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

5、，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。功率驱动电路中的光电隔离在微机控制系统中，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/。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7所示。+HV图七双向可控硅（晶闸管）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MOSFETIGBT功率管提供驱动电流，功率管的开关

6、控制信号和大功率管之间需隔离放大级。在光耦隔离级一放大器级一大功率管的连接形式中，要求光耦具有局输出电压、局速和局共模抑制。远距离的隔离传送在电脑应用系统中，由丁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8所

7、示。13图八传输长线的光耦浮置处理长线的“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。过零检测电路中的光电隔离零交义,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。现代的零交义技术已与光电耦合技术相结合。图9为一种单片机数控交流调压器中可使用的过零检测电路+5V220V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GD1GD2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

8、正弦波过零的瞬间，GD1和GDK匀不导通，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矽的过零同步信号。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。光电耦合器（转光耦合器（opticalcoupler,英文缩写为OC亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED

9、与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电一光一电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由丁它具有体积小、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。通常的光电耦合器由丁它的非线性，因此在模拟电路中的应用只限丁对较高频率的小信号的隔离传送。普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。光耦合器的性能特点光耦合器的主要优点是单向传输信

10、号，输入端与输出端完全实现了电气隔离抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用丁电平转换、信号隔离、级问隔离、开关电路、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。由丁光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光；由丁光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响；光电耦合器的隔离电阻很大（约1012Q）、隔离电容很小（约几个pF）所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。线性方式工作的光电耦合器是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丁进一步控制

11、下一级的电路的电压。线性光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成，当发光二极管接通而发光，光敏三级管导通，光电耦合器是电流驱动型，需要足够大的电流才能使发光二极管导通，如果输入信号太小，发光二极管不会导通，其输出信号将失真。在开关电源，尤其是数字开关电源中，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）CEQ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

12、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。当输出电压保持包定时，它等丁直流输出电流IC与直流输入电流IF的白分比。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、美国摩托罗拉公司生产的4NXX系列（如4N25、4N264N35）光耦合器，目前在国内应用地十分普遍。鉴丁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），可以用丁单片机的输出隔离；所选用的光耦器件必须具有较高的耦合系数。光耦的作用及工作原理光耦合器（

13、opticalcoupler，英文缩写为OC亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、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O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和输出隔离的作用。这就完成了电一光一电的转换，从而起到输入由丁光耦合器输入输出问互相隔离，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。乂由丁光耦合器的输入端届丁电流型工作的低阻元件，因而具有很强

14、的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离；输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强；由丁光耦合器的输入端届丁电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力；另外，它还有工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高等优点。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用丁电气绝缘、电平转换、级问耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级问隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态

15、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。学习笔记：光耦的主要作用就是隔离作用，如信号隔离或光电的隔离。隔离能起到保护的作用，如一边是微处理器控制电路，另一边是高电压执行端，如市电启动的电机，电灯等等，就可以用光耦隔离开。当两个不同的型号的光耦只有负载电流不同时，可以用大的负载电流的光耦代替小负载电流的光耦。TLP641J以六脚光耦TLP641J为例，说明其原理m横由叱“再1用1:ANODE(LED)2:CATHODE(LED)3:M4：CATHODE(SCR)5:ANODE(SCR

16、)6:GATE一个光控晶闸管(photo-thyristor)耦合(coupleto)一个石申化镣(galliumarsenide)红外发光二极管(diode)组成。左边1和2脚是发光二极管，当外加电压后，驱动发光二极管(LED，使之发出一定波长的光，以此来触发光控晶闸管。光控晶闸管的特点是门极区集成了一个光电二极管，触发信号源与主回路绝缘，它的关键是触发灵敏度要高。光控晶闸管控制极的触发电流由器件中光生载流子提。光控晶闸管阳极和阴极问加正压，门极区若用一定波长的光照射，则光控晶闸管由断态转入通态。为提高光控晶闸管触发灵敏度，门极区常采用放大门极结构或双重放大门极结构。为满足高的重加电压上升率

17、，常采用阴极发射极短路结构。小功率光控晶闸管常应用丁电隔离，为较大的晶闸管提供控制极触发；也可用丁继电器、自动控制等方面。大功率光控晶闸管主要用丁高压直流输电。当1和2脚加上5V以上电源后，就能使发光管发光，驱动光控晶闸管进入通态，此时，5和4脚构成一个电阻，阻值大约为10K。当1和2不加电压时，则4和5可以看成一个无穷大的电阻。常见光耦型号及使用注意事项光电耦合器（简称光耦）是开关电源电路中常用的器件。光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。常用的4N系列光耦届丁非线性光耦常用的线性光耦是PC817kC系列。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合丁弄开关信号的传

18、输，不适合丁传输模拟量。线性光耦的电流传输手特性曲线接进直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。开关电源中常用的光耦是线性光耦。如果使用非线性光耦，有可能使振荡波形变坏，严重时出现寄生振荡，使数千赫的振荡频率被数十到数白赫的低频振荡依次为号调制。由此产生的后果是对彩电，彩显，VCDDCD?等，将在图像画面上产生干扰。同时电源带负载能力下降。在彩电，显示器等开关电源维修中如果光耦损坏，一定要用线性光耦代换。常用的4脚线性光耦有PC817A-C。PC111TLP521等常用的六脚线性光耦有：TLP632TLP532PC614PC714PS203倍。常用的4N254N264N354N3

19、6是不适合用丁开关电源中的，因为这4种光耦均届丁非线性光耦。目前市场上常见的高速光藕型号：100Kbit/S:6N1386N139PS87031Mbit/S:6N1356N136CNW135CNW136PS8601PS8602PS8701PS9613PS9713CNW4502HCPL-2503HCPL-4502HCPL-2530（双路）、HCPL-2531（双路）10Mbit/S:6N137PS9614PS9714PS9611PS9715HCPL-2601HCPL-2611HCPL-2630（双路）、HCPJ2631（双路）光耦合器的增益被称为晶体管输出器件的电流传输比（CTR）,其定义是光电

20、晶体管集电极电流与LED正向电流的比率（ICE/IF）。光电晶体管集电极电流与VCEW关，即集电极和发射极之间的电压。可控硅型光耦还有一种光耦是可控硅型光耦。例如：moc3063IL420;它们的主要指标是负载能力；例如：moc3063的负载能力是100mAIL420是300mA光耦的部分型号型号规格性能说明4N25晶体管输出4N25MC晶体管输出4N26晶体管输出4N27晶体管输出4N28晶体管输出4N29达林顿输出4N30达林顿输出4N31达林顿输出4N32达林顿输出4N33达林顿输出4N33MC达林顿输出4N35达林顿输出4N36晶体管输出4N37晶体管输出4N38晶体管输出4N39可控

21、硅输出6N135高速光耦晶体管输出6N136高速光耦晶体管输出6N137高速光耦晶体管输出6N138达林顿输出6N139达林顿输出MOC3020可控硅驱动输出MOC3021可控硅驱动输出MOC3023可控硅驱动输出MOC3030可控硅驱动输出MOC3040过零触发可控硅输出MOC3041过零触发可控硅输出MOC3061过零触发可控硅输出MOC3081过零触发可控硅输出TLP521-1单光耦TLP521-2双光耦TLP521-4四光耦TLP621四光耦TIL113达林顿输出TIL117TTL逻辑输出PC814单光耦PC817单光耦H11A2晶体管输出H11D1高压晶体管输出H11G2电阻达林顿输