光电耦合器原理及应用介绍

光耦的技术参数可分为输入特性、输出特性、传输特性、隔离特性等几大部分。

3.1          输入特性

光耦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。

2.      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。

3.      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。

4.      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。

5.      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。

6.      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。

7.      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。

3.2          输出特性

光耦的输入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

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。

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

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。

3.3          传输特性：

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

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。

2．电流传输比CTR（Current Transfer Radio）

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。

3.4          隔离特性

1． 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

2． 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。

3． 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。

其它参数诸如工作温度、耗散功率等不再一一敷述。

光电耦合器分类及应用

4.1       分类

按传输特性，通常将光电耦合器分为两类：一类是非线性光耦；一类是线性光耦。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于传输开关信号，不适合于传输模拟量。 线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。所以通常需要传输模拟信号的场合，如开关电源输出端反馈信号与输入端信号的隔离，就需采用线性光耦；而传输逻辑信号的场合，如采样信号与单片机输入之间，通常会采用非线性光耦。

线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的。就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。

按结构类型，又可将光耦分为：通用型（又分无基极引线和基极引线两种）、达林顿型、施密特型、高速型、光集成电路、光纤维、光敏晶闸管型（又分单向晶闸管、双向晶闸管）、光敏场效应管型，此外还有双通道式（内部有两套对管）、高增益型、交-直流输入型等等。下面举例介绍一下通用型及达林顿输出型。

在通用型光耦合器中，接收端是一只硅光电管，因此在B-E之间只有一个硅PN结；达林顿型光耦不然，它由复合管构成，两个硅PN结串联成复合管的发射结，因此达林顿光耦有更大的电流传输比（通常达林顿型光耦的CTR比通用型光耦大1~2个数量级），从而就拥有更大的驱动能力，如下图。

4.2      应用

由于光耦优点突出：如信号单向传输，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，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高等；并且其结构及种类十分繁多，因而其应用十分广泛，主要应用以下场合：
　　(1) 在逻辑电路上的应用
　　光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此由它构成的逻辑电路更可靠。需要注意的是光耦的传输速率能否满足逻辑电路的需要。

　　(2) 作为固体开关应用
　　在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。对于开关电路，除了要求光耦有好的隔离性能外，开关时间也非常重要。

　　(3) 在触发电路上的应用
　　将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，可有效地解决输出与负载隔离地问题。由于温度对于光耦的暗电流及LED的稳定性均有影响，所以要十分注意此类电路的使用环境。

　　(4) 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。

　　(5) 在线性电路上的应用
　　线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良的电隔离性能。这类电路一般用于模拟信号的传输，如开关电源电路中。

(6) 其它特殊场合的应用
　　光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于a/d电路等多种场合。还可用于工业控制，以弱信号驱动大功率设备等。

下面举例说明。如下图：单片机与RS485通讯口之间的采用光耦隔离，从而使单片机免受外界信号的干扰及突波的冲击。

因通常RS485接口与单片机之间的通讯为数字信号，对线性度要求不是很高，但通信的波特率都比较高，如果光耦传输波形上升/下降速度过慢，则会成为整个通信系统的瓶颈。所以此处应选取高速光耦。而且与光耦匹配的电阻的阻值也需要最优化。例如：电阻R2、R3如果选取得较大，将会使光耦的发光管由截止进入饱和变得较慢；如果选取得过小，退出饱和也会很慢，所以这两只电阻的数值要精心选取，通常可以由实验来定。

选型要点：1，CTR及线性度；2，隔离特性；3，上升/下降速度；4，隔离电容；5，驱动能力；6，输入电流。

更多实例，请参考http://bbs.elecfans.com/dv_rss_xhtml_54_6214_1.html

二、 供应商介绍

SHARP夏普（日本夏普光电分公司成立于1960年，在日本SHINJO、TENRI及海外都设有工厂和研发中心，其光电半导体产品的销售量持续二十年稳居全球第一位。）

TOSHIBA东芝

FAIRCHILD仙童

AGLIENT安捷伦(1995年从HP独立出来)

NEC日电

VISHAY威世

BRIGHT佰鸿

COSMO冠西

MOTOROLA摩托罗拉

PHILIPS菲利浦

EVERLIGHT亿光

PANASONIC松下