光電耦合器是一種由發(fā)光器件和光敏器件組合構(gòu)成的通用光電器件。它以光為媒介，完成電—光~電信號(hào)的變換及傳輸，把輸入信號(hào)耦合到輸出端。該器件具有體積小、無(wú)機(jī)械觸頭、抗干擾能力強(qiáng)、工作壽命長(zhǎng)、輸入及輸出之間絕緣、能傳輸模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)，廣泛地用予隔離電路、開(kāi)關(guān)電路、電源電路、邏輯電路、電平轉(zhuǎn)換電路、過(guò)流保護(hù)電路等。為滿(mǎn)足各種電路不同的輸入、輸出性能要求，光電耦合器有不同的結(jié)構(gòu)及特性，并形成系列，供用戶(hù)選擇。例如，其輸人信號(hào)可以是直流或交流，其輸出部分可以接不同的工作電壓及輸出不同的電流，它可以滿(mǎn)足不同速度傳輸信號(hào)的要求等。光電耦合器種類(lèi)繁多，目前極大多數(shù)的光耦輸入部分采用砷化鎵紅外發(fā)光二極管，輸出部分采用硅光電二極管、硅光電三極管及光觸發(fā)可控硅。這是因?yàn)榉逯挡ㄩL(zhǎng)900～940nm的砷化鎵紅外發(fā)光二極管能與硅光電器件的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)相吻合，可獲得較高的信號(hào)傳輸效率。

一、光耦的結(jié)構(gòu)

光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（剖面）如圖1所示。光耦輸入部分大都是紅外發(fā)光二極管，輸出部分有不同的光敏器件，如圖2所示。

圖1光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（剖面）

圖2光耦的結(jié)構(gòu)示意圖

這里要說(shuō)明的是，圖2（c）的輸入部分有兩個(gè)背對(duì)背的紅外發(fā)光二極管，它用于交流輸入的場(chǎng)合；圖2（d）采用達(dá)林頓輸出結(jié)構(gòu)，它可使輸出獲得較大的電流；圖2（e）、2（f）的輸出由光觸發(fā)雙向可控硅組成，它們主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載。圖2（e）與圖2（f）的差別是圖2（f）有過(guò)零觸發(fā)控制（圖中的“ZC”即“過(guò)零”的意思），而圖2（e）沒(méi)有過(guò)零觸發(fā)控制電路。由于輸入側(cè)與輸出側(cè)之間存在分布電容，以及輸出器件的結(jié)電容，它在高頓時(shí)對(duì)傳輸信號(hào)有影響。采用硅光電二極管的最高工作頻率可達(dá)1MHz（TLP112）﹔面用硅光電點(diǎn)極管的最高工作頻率要低一些，為500kHz；采用達(dá)林頓的則更低（約1kHz）。

二、基本電路

光耦的基本電路如圖3所示。圖3（a）的負(fù)載電阻RL接在發(fā)射極及地之間，圖3（b）的負(fù)載電阻RL接在電源Vdd與集電極之間。

圖3光耦的基本電路

在圖3（a）中，輸入端加上VCC電壓，經(jīng)限流電阻Rin后，有一定的電流IF流經(jīng)紅外發(fā)光二極管，IF與Vcc、發(fā)光二極管的正向壓降VF及Rin的關(guān)系為：IF=（Vcc-VF）/Rin。式中的VF取1.3V。IF的最大值由資料給出（一般工作時(shí)IF≤10mA）。

發(fā)光二極管發(fā)光后，光電三極管導(dǎo)通，集電極電流IC由Vdd經(jīng)光電三極管流過(guò)RL到地，使輸出電壓Vout=Ic×RL（或Vout=Vdd-VCE，VCE為光電三極管的管壓降）。圖3（b）的工作原理與圖3（a）相同，不再重復(fù)。圖3中輸入、輸出也可用各自的地。從圖3（a）可以看出；輸入端不加Vcc電壓，輸出端Vout=0V，輸入端加了Vcc電壓，負(fù)載得電，這個(gè)功能相當(dāng)于“繼電器”。如果在輸入端加幅值為5V的脈沖（如圖4所示），輸出端Vdd=12V，RL=10kΩ，則輸出的脈沖幅值接近12V，從這功一能來(lái)看，相當(dāng)于“變壓器”；若輸入電壓從0躍變到+5V，輸出則從0躍變到接近12V，它又可用作電平轉(zhuǎn)換。

圖4光耦應(yīng)用之電平轉(zhuǎn)換

三、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

光耦的主要特點(diǎn)：輸入與輸出之間絕緣（絕緣電壓可達(dá)數(shù)千伏）；信號(hào)傳輸為單方向，輸出信號(hào)不會(huì)對(duì)輸入信號(hào)有影響；能傳輸模擬信號(hào)也可傳輸數(shù)字信號(hào)；抗干擾能力強(qiáng)；體積小、壽命長(zhǎng)；由于無(wú)觸頭，因此抗振性強(qiáng)。近年來(lái)由于生產(chǎn)工藝改進(jìn)，SMT的發(fā)展，開(kāi)發(fā)出性能更好、尺寸更小的貼片式光耦，它由DIP6管腳封裝改進(jìn)成4管腳封裝，不僅改小尺寸，并且減小了干擾，如圖5所示，但有一些公司其管腳仍按6管腳排列。頂面有圓圈者為第1管腳。

圖5光耦引腳示意圖

由于該類(lèi)器件有上述特點(diǎn)，它主要應(yīng)用于隔離電路、開(kāi)關(guān)電路、邏輯電路、信號(hào)長(zhǎng)線(xiàn)傳輸、線(xiàn)性放大電路、隔離反饋電路、控制電路及電平轉(zhuǎn)換電路等。

四、光耦主要參數(shù)

本文介紹NEC公司及TOSHIBA公司生產(chǎn)的一些常用的貼片式光耦及其主要參數(shù)。主要參數(shù)如圖6所示。

圖6光耦主要參數(shù)

這里要說(shuō)明一下電流傳輸比（CTR）這個(gè)參數(shù)的意義。CTR是CurrentTransferRatio的縮寫(xiě)。它是在一定工作條件下（IF及VCE），光耦的輸出電流Ic與輸入電流IF的比值，一般用百分比表示，其值低的從幾到幾十，高的從幾十到幾百，達(dá)林頓輸出型可達(dá)上千。CTR大，則在同樣的IF下，輸出電流Ic大，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力也強(qiáng)（或者說(shuō)IF較小可獲得大的Ic）。

這里順便指出，當(dāng)用光電耦合器作交流信號(hào)傳輸時(shí)，必須考慮它的頻率特性。采用GaAs發(fā)光二極管及硅光電三極管的光耦，其最高工作頻率約為500kHz；其響應(yīng)時(shí)間小于10μs。

在使用時(shí)要注意的紅外發(fā)光二極管的反壓VR一般是很低的，有的VR僅3V。因此在使用時(shí)輸入端不能接反，防止紅外發(fā)光二極管因反壓過(guò)高而擊穿（可在1腳、3腳接一個(gè)反向二極管來(lái)保護(hù)，如圖4所示）。

五、光耦的簡(jiǎn)易測(cè)量方法

光電三極管輸出的光耦是應(yīng)用最廣泛的，若頂面印刷字跡或圓點(diǎn)看不清楚，可采用指針式三用表來(lái)測(cè)量，確認(rèn)哪個(gè)管腳是1腳，并且也可簡(jiǎn)易測(cè)出光耦的好壞。

圖7光耦測(cè)量示意圖

由于它是一個(gè)二極管及一個(gè)三極管c、e極組成的，所以用R×1k擋來(lái)測(cè)量是十分方便的。只要測(cè)出一個(gè)二極管：黑表筆接二極管的陽(yáng)極，紅表筆接二極管的陰極，其阻值約30kΩ，則黑表筆端即1腳。如圖7所示，其它三種測(cè)量都應(yīng)是R=∞（表筆不動(dòng)）。若光電三極管的測(cè)量電阻不是∞，則此光耦不能用。