光電耦合器及其應(yīng)用（１）

方佩敏

光電耦合器(以下簡稱光耦)是一種發(fā)光器件和光敏器件組成的光電器件。它能實(shí)現(xiàn)電—光—電信號的變換，并且輸入信號與輸出信號是隔離的。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ㄩL900～940nm的砷化鎵紅外發(fā)光二極管能與硅光電器件的響應(yīng)峰值波長相吻合，可獲得較高的信號傳輸效率。

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。

這里要說明的是，圖2(c)的輸入部分有兩個(gè)背對背的紅外發(fā)光二極管，它用于交流輸入的場合；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)有過零觸發(fā)控制(圖中的“ZC”即“過零”的意思)，而圖2(e)沒有過零觸發(fā)控制電路。

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。

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。

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)；信號傳輸為單方向，輸出信號不會(huì)對輸入信號有影響；能傳輸模擬信號也可傳輸數(shù)字信號；抗干擾能力強(qiáng)；體積小、壽命長；由于無觸頭，因此抗振性強(qiáng)。近年來由于生產(chǎn)工藝改進(jìn)，SMT的發(fā)展，開發(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，如圖2所示。頂面有圓圈者為第1管腳，如圖6所示。

由于該類器件有上述特點(diǎn)，它主要應(yīng)用于隔離電路、開關(guān)電路、邏輯電路、信號長線傳輸、線性放大電路、隔離反饋電路、控制電路及電平轉(zhuǎn)換電路等。

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)如表1及表2所示。

這里要說明一下電流傳輸比(CTR)這個(gè)參數(shù)的意義。CTR是Current Transfer Ratio 的縮寫。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)光二極管因反壓過高而擊穿(可在1腳、3腳接一個(gè)反向二極管來保護(hù)，如圖4所示)。

光耦的簡易測量方法

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測量，確認(rèn)哪個(gè)管腳是1腳，并且也可簡易測出光耦的好壞。

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擋來測量是十分方便的。只要測出一個(gè)二極管：黑表筆接二極管的陽極，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，其它三種測量都應(yīng)是R=∞(表筆不動(dòng))。若光電三極管的測量電阻不是∞，則此光耦不能用(待續(xù))。