光耦合器的原理及應(yīng)用

1、光耦合器的原理及應(yīng)用張雍淋(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，英才學(xué)院)摘要：光耦合器是發(fā)光器件和光電器件的組合體。由于其抗干擾能力好，信號傳輸速度快， 隔離性能強(qiáng)，常用于信號隔離轉(zhuǎn)換，脈沖系統(tǒng)的電平匹配，微機(jī)控制系統(tǒng)的輸入、輸出接口。 關(guān)鍵詞：光耦合器；傳輸特性；隔離特性Principle and Application of Opto-couplersZhang Yonglin(The Honors School, Harbin Institute of Technology)Abstract: Opto-couples are combined units of luminescent device an

2、d photoelectric device. Because its good antijamming capability, fast speed of signal transmission and excellent isolation performance, it is used for signal transmission and transform, level match of impulsive system and I/O of computer operating system.Key words: Opto-couples; transmission charact

3、er; isolation character光耦合器簡稱光耦，是發(fā)光器件和光電 器件的組合體。使用時將電信號送入光耦合 器輸入側(cè)的發(fā)光器件，發(fā)光器件將電信號轉(zhuǎn) 換成光信號，由輸出端的受光器件（光電器 件）接收并再轉(zhuǎn)換成電信號。由于輸入與輸 出之間沒有直接電氣聯(lián)系，信號輸入是通過 光耦合的，所以也稱其為光電隔離器。由于光電耦合器具有抗干擾能力強(qiáng)，使 用壽命長，傳輸效率高等特點，可廣泛用于 電氣隔離、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合開關(guān)電路脈 沖放大固態(tài)繼電器儀器儀表和微型計算機(jī) 接口電路中。光耦合器的原理1.1光耦合器的基本結(jié)構(gòu)光耦合器是由一個發(fā)光二極管和一個 受光控的光敏晶體管（常為光敏三極管）組 成的，

4、原理示意圖如圖1所示。發(fā)光代渺中 ThT忡。L；ii 川i正向褊氏隗尚佃任圖i光耦合器的原理示意圖發(fā)光管常用砷化鎵（GaAs）發(fā)光二極 管，這是一種當(dāng)有正向電流流過其PN結(jié)時 就會發(fā)光的器件，且發(fā)光的強(qiáng)度隨電流的增 加而增加。而光敏管則用硅光敏二極管、硅 光敏三極管、場效應(yīng)管、光敏晶閘管型和光 敏集成電路型等。也可將光敏三極管連接成 達(dá)林頓型和集電極互連型等多種型式。常見 的封裝方式有管型金屬殼真空密封式、雙列 直插密封式和光導(dǎo)纖維連接式等三種。其電 路符號如表1所示。1.2光耦合器的工作原理光耦合器的發(fā)光管常稱為輸入部分，相 應(yīng)的光敏管則稱為輸出部分。若用一般的 變壓器來比擬，則光耦合器的輸

5、入部分相 當(dāng)于變壓器的初級，輸出部分相當(dāng)于次級。 因為它們都能將信號從輸入端傳輸?shù)捷敵?端，且輸入和輸出從電氣特性來看是完全隔 離的。從這種意義上來講，光耦合器也可稱 之為半導(dǎo)體變壓器。光電耦合器的工作過程如下：光敏三極 管的導(dǎo)通與截止，是由發(fā)光二極管所加正向 電壓控制的。當(dāng)發(fā)光二極管加上正向電壓 時，發(fā)光二極管有電流通過發(fā)光，使光敏三 極管內(nèi)阻減小而導(dǎo)通；反之，當(dāng)發(fā)光二極管 不加正向電壓或所加正向電壓很小時，發(fā)光 二極管中無電流或通過電流很小，發(fā)光強(qiáng)度 減弱，光敏三極管的內(nèi)阻增大而截止。光耦合器的傳輸特性光耦合器不僅能傳輸邏輯信號,而且也 能傳輸模擬信號。用作邏輯信號傳輸時，要 求有高的傳輸

6、速度、大的傳輸增益、好的隔 離特性。用作模擬信號傳輸時，除了上述要 求外，還要求有好的傳輸線性。以國產(chǎn) G0100、G0200、G0300、G0400 為例分析（國 產(chǎn)GOl00系列是三極管型光耦合器，G0200 系列是達(dá)林頓型光耦合器，G0300系列是二 極管型光耦合器,G0400系列是集電極互連 的低通導(dǎo)型光耦合器），內(nèi)部電路如圖2所圖2國產(chǎn)G0系列光耦合器內(nèi)部電路圖（一）傳輸增益光耦合器的傳輸增益是指輸出電流和 輸入電流的比值，所以也稱為電流傳輸 比，記為CTR。特性曲線如圖3所示。圖3光耦合器的傳輸增益由圖可以看出，不同型號的光耦合器的 傳輸增益是不一樣的，這主要是由不同的受 光器件的

7、結(jié)構(gòu)決定的。對于G0200型，光電 流受到兩個達(dá)林頓連接三極管的放大，若它 們的電流放大倍數(shù)分別為P1和七，光電流為I，則輸出電流I =8 8 I。而GOl00型01 2 0的輸出電流僅受到一個三極管的放大。對于 G0300型，輸出電流就是光電流，沒有任何 放大。傳輸增益是隨溫度而略有變化的。由于 發(fā)光二極管的發(fā)光效率具有負(fù)的溫度系數(shù)， 而光敏三極管的電流放大系數(shù)具有正的溫 度系數(shù)，因此，光耦合器傳輸增益的溫度特 性,取決于這兩個相反變化量的具體變化率, 要設(shè)法使它們正好相互抵消，這是困難的。 因為它們的變化機(jī)理是不一樣的。圖4給 出了光耦合器傳輸增益隨溫度的變化曲線。圖4光耦合器的傳輸增益隨

8、溫度的變化曲線由圖4曲線可見，不同的器件，傳輸增 益隨溫度的變化率也是不一樣的。有些器件, 在室溫以下變化率小，有些器件則在室溫以 上變化率小。傳輸速度光耦合器的傳輸速度是指信號由輸入 端輸入至輸出端輸出所需的時間。有時也用 響應(yīng)速度來描述。傳輸速度是光耦合器的一 個重要參數(shù)，無論在邏輯傳輸或模擬傳輸中, 都希望快速。在邏輯傳輸時，可用脈沖信號的上升時 間七和下降時間t f來描述，如表2所示。 由表可見,速度最快的是G0300型,最慢的是 G0200型。一般情況下，上升時間大于下 降時間t f。型 號G0100GOBOOQ0300頑4叫34吒500.0610表2脈沖信號的上升時間tT和下降時間

9、t f在作模擬信號傳輸時，通頻帶大致如 表3所示。型 號G0100G02VOU03W0GxlOa0-5 X1 伊表3不同型號光耦合器的通頻帶寬度光耦合器的傳輸速度除了與器件本身 的材料特性及設(shè)計結(jié)構(gòu)有關(guān)外，也和使用狀 態(tài)有關(guān)。如光敏管的負(fù)載增大，則傳輸速度 變慢。光敏管集電極輸出比發(fā)射極輸出速度 快。光敏管和三極管接成串接放大器后輸出, 傳輸速度就更快。若將光敏三極管的基極引 出，并接一電阻到地,使基區(qū)中的光生空穴 流,也將明顯地提高傳輸速度。傳輸線性若光耦合器輸入信號能被不失真地傳 輸?shù)剿妮敵龆?，則稱線性傳輸。線性傳輸在模擬電路中是極其重要的。 從圖3光耦合器的傳輸特性來看,GO300型

10、的線性最好，且線性范圍也最大，其次是 G0100型,最差是G0200型。產(chǎn)生這種差異， 主要是由光敏三極管的小電流放大倍數(shù)和 大電流放大倍數(shù)嚴(yán)重不一致所造成的。由于 G0200型的光電流經(jīng)過了兩次非線性的放大, 所以它的非線性失真也就更大些。但無論是 G0100型或GO200型，都可以通過合理地選 取工作點，在一定的動態(tài)范圍內(nèi)達(dá)到近似的 線性傳輸。在要求低失真和寬頻帶的高性能 傳輸時，宜用G0300型。雖然它的傳輸增益 較低，但這可通過放大器的增益調(diào)整得到補 償。光耦合器的隔離特性光耦合器的輸入部分和輸出部分之間 是通過光來耦合的，因此，從原理上講，輸入 和輸出間可達(dá)到完全的電氣隔離。這是光耦

11、 合器在使用中的最大特點。但對于一個具體 的光耦合器，由于結(jié)構(gòu)材料的影響，有時難 免會有漏電和分布電容，甚至擊穿。光耦合器的隔離特性，一般用下列參數(shù) 來描述：(1 )隔離電阻R,s。這是指光耦合 器輸入和輸出間的絕緣電阻，一般能達(dá)1011 歐以上。(2 )隔離耐壓Vi,。光耦合器輸入與 輸出間的耐壓完全取決于它們之間的介質(zhì)。 對于一般封裝的光耦合器，隔離耐壓都能大 于2.5千伏，若用光導(dǎo)纖維連接的光耦合器， 耐壓可達(dá)上萬伏，甚至更高。這在等離子物 理及高壓系統(tǒng)的信息傳輸中，具有重大意義。（3 ）隔離電容Cso。光耦合器輸入 與輸出間的漏泄電容，主要取決于封裝結(jié)構(gòu), 一般可小于1微微法。盡管量值

12、不算大，但 由于輸出部分是幾十兆歐的高阻抗，有時隔 離電容也是不能不考慮的，尤其是在高頻信 號傳輸時，隔離電容的影響將更為突出。光耦合器的應(yīng)用光耦合器的用途很廣，常用于信號隔 離轉(zhuǎn)換，脈沖系統(tǒng)的電平匹配，危機(jī)控制系 統(tǒng)的輸入、輸出接口等。（一）邏輯信號的傳輸?shù)湫偷膽?yīng)用如圖5所示。圖5光耦合器用于邏輯信號的傳輸由于甲機(jī)和乙機(jī)各自獨立工作、互不 干擾，但邏輯信號卻能通過光耦合器直接傳 輸,這在某些場合是極其有用的。如設(shè)想甲 機(jī)是計算機(jī)的中心處理器，乙機(jī)為終端設(shè)備, 則兩機(jī)用光耦合器連接，既能克服共地電源 的噪聲干擾，又能防止終端設(shè)備的雜散信號 向中心處理器反射，從而保證中心處理器正 常運行，提高了

13、計算機(jī)工作的可靠性。在這 種應(yīng)用中，由于甲機(jī)用電流信號驅(qū)動發(fā)光管, 因此抗干擾能力很強(qiáng)，即使用長線（幾百米） 傳輸,也不會降低信噪比。（二）電子開關(guān)光耦合器具有電子開關(guān)作用。利用它 優(yōu)良的隔離特性及傳輸特性，可以將兩組 電位相差很大的電路耦合起來，既完成信號 傳輸、又完成電位隔離。如圖6所示的高 壓可控硅觸發(fā)控制系統(tǒng)它可以將低壓系統(tǒng) 的監(jiān)控信號，通過光耦合器輸送到高壓系統(tǒng), 達(dá)到對高壓系統(tǒng)的控制。屬于這種應(yīng)用的如 傳真機(jī)中記錄管復(fù)印信號的驅(qū)動、高能加速 器的調(diào)制等，用光耦合器將是理想的電子器 件。圖6高壓可控硅觸發(fā)控制系統(tǒng)（三）模擬信號的傳輸利用二極管型光耦合器的高速和線性 傳輸特性，國外已制作出帶寬為20赫到7 兆赫（-3分貝帶寬），上升時間為45毫微秒, 增益為650倍的寬帶放大器，電路如圖7所圖7