光耦基础知识与应用.docx
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光耦基础知识与应用
光耦基础知识与应用（总18页）
光耦基础知识及应用
光耦
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）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—光—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，由于它具有体积小、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。
光耦常见品牌有英国ISOCOM、FAIRCHILD、TODSHIBA等，
工作原理
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
1553b耦合器线缆接头
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。
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。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，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。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
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，可以大大提高计算机工作的可靠性。
编辑本段优点
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，输出信号对输入端无
光耦
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。
光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、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。
编辑本段种类
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。
检测示意图
非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。
常用的4N系列光耦属于非线性光耦。
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。
常用的线性光耦是PC817A—C系列。
开关电源中常用的英国ISOCOM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百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，VCD，DCD等等，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：
LP632TLP532PC614PC714PS2031等。
常用的4N254N264N354N36是不适合用于开关电源中的，因为这4种光耦均属于非线性光耦。
由于光电耦合器的品种和类型非常多，在光电子DATA手册中，其型号超过上千种，通常可以按以下方法进行分类：
（1）按光路径分，可分为外光路光电耦合器（又称光电断续检测器）和内光路光电耦合器。
外光路光电耦合器又分为透过型和反射型光电耦合器。
（2）按输出形式分，可分为：
a、光敏器件输出型，其中包括光敏二极管输出型，光敏三极管输出型，光电池输出型，光可控硅输出型等。
b、NPN三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型，互补输出型等。
c、达林顿三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型。
d、逻辑门电路输出型，其中包括门电路输出型，施密特触发输出型，三态门电路输出型等。
e、低导通输出型（输出低电平毫伏数量级）。
f、光开关输出型（导通电阻小余10Ω）。
g、功率输出型（IGBT/MOSFET等输出）。
（3）按封装形式分，可分为同轴型，双列直插型，TO封装型，扁平封装型，贴片封装型，以及光纤传输型
光耦
等。
（4）按传输信号分，可分为数字型光电耦合器（OC门输出型，图腾柱输出型及三态门电路输出型等）和线性光电耦合器（可分为低漂移型，高线性型，宽带型，单电源型，双电源型等）。
（5）按速度分，可分为低速光电耦合器（光敏三极管、光电池等输出型）和高速光电耦合器（光敏二极管带信号处理电路或者光敏集成电路输出型）。
（6）按通道分，可分为单通道，双通道和多通道光电耦合器。
（7）按隔离特性分，可分为普通隔离光电耦合器（一般光学胶灌封低于5000V，空封低于2000V）和高压隔离光电耦合器（可分为10kV，20kV，30kV等）。
（8）按工作电压分，可分为低电源电压型光电耦合器（一般5～15V）和高电源电压型光电耦合器（一般大于30V）。
编辑本段结构特点
光电耦合的主要特点如下：
原理示意图
1.输入和输出端之间绝缘，其绝缘电阻一般都大于10000MΩ，耐压一般可超过1kV，有的甚至可以达到10kV以上。
2.由于光接收器只能接受光源的信息，反之不能，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。
3.由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电流电压信号。
因此光电耦合器件的共模抑制比很大，所以，光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。
4.容易和逻辑电路配合。
5.响应速度快。
光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒极。
6.无触点、寿命长、体积小、耐冲击。
编辑本段性能特点
光耦合器的主要优点是单向传输信号，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。
它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、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。
由于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；由于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1012Ω）、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于进一步控制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。
光纤耦合器
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）CEO、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。
当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。
采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围大多为20%～300%（如4N35），而PC817则为80%～160%，达林顿型光耦合器（如4N30）可达100%～5000%。
这表明欲获得同样的输出电流，后者只需较小的输入电流。
因此，CTR参数与晶体管的hFE有某种相似之处。
线性光耦合器与普通光耦合器典型的CTR-IF特性曲线。
普通光耦合器的CTR-IF特性曲线呈非线性，在IF较小时的非线性失真尤为严重，因此它不适合传输模拟信号。
线性光耦合器的CTR-IF特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号时，其交流电流传输比（ΔCTR=ΔIC/ΔIF）很接近于直流电流传输比CTR值。
因此，它适合传输模拟电压或电流信号，能使输出与输入之间呈线性关系。
这是其重要特性。
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4N××系列（如4N25、4N26、4N35）光耦合器，目前在国内应用地十分普遍。
鉴于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），可以用于单片机的输出隔离；所选用的光耦器件必须具有较高的耦合系数。
编辑本段技术参数
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）CEO、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。
当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。
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ISOCOM公司生产的4N××
系列（如4N25、4N26、4N35）光耦合器，在国内应用地十分普遍。
鉴于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），可以用于单片机的输出隔离；所选用的光耦器件必须具有较高的耦合系数。
编辑本段型号参数
PartNumber
IFT（mA）max
VTM（V）max
DM（V）min
dv/dt（V/us）min
IDRM1（nA）max
VISOACRMS
MOC3031
15
3
250
1000
100
MOC3032
10
3
250
1000
100
MOC3033
5
3
250
1000
100
MOC3041
15
3
400
1000
100
MOC3042
10
3
400
1000
100
MOC3043
5
3
400
1000
100
MOC3061
15
3
600
600
500
MOC3062
10
3
600
600
500
MOC3063
5
3
600
600
500
MOC3081
15
3
800
600
500
MOC3082
10
3
800
600
500
MOC3083
5
3
800
600
500
MOC3162
10
3
600
1000
100
MOC3163
5
3
600
1000
100
编辑本段产品作用
对输入、输出电信号起隔离作用，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。
输入的
光纤耦合器
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。
这就完成了电—光—
电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，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。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
编辑本段使用原则
1、光耦合器的电流传输比（CTR）的允许范围是50%～200%。
这是因为当CTR<50%时，光耦中的LED就
光纤耦合器
需要较大的工作电流（IF>，才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。
若CTR>200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。
2、若用放大器电路去驱动光电耦合器，必须精心设计，保证它能够补偿耦合器的温度不稳定性和漂移。
3、推荐采用线性光耦合器，其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。
上述使用的光电耦合器时工作在线性方式下，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于进一步控制下一级电路的电压，是单片机进行闭环调节控制，对电源输出起到稳压的作用。
为了彻底阻断干扰信号进入系统，不仅信号通路要隔离，而且输入或输出电路与系统的电源也要隔离，即这些电路分别使用相互独立的隔离电源。
对于共模干扰，采用隔离技术，即利用变压器或线性光电耦合器，将输入地与输出地断开，使干扰没有回路而被抑制。
在开关电源中，光电耦合器是一个是非常重要的外围器件，设计者可以充分的利用它的输入输出隔离作用对单片机进行抗干扰设计，并对变换器进行闭环稳压调节。
编辑本段作用
由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用以下场合：
光纤耦合器
（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。
（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。
（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。
（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地电隔离性能。
（6）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。
线性光耦合器的选取原则
在设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光耦合器的型号及参数，选取原则如下：
①光耦合器的电流传输比（CTR）的允许范围是50%～200%。
这是因为当CTR<50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流（IF>，才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。
若CTR>200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。
②推荐采用线性光耦合器，其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。
③由英国埃索柯姆（Isocom）公司、美国摩托罗拉公司生产的4N××系列（如4N25、4N26、4N35）光耦合器，目前在国内应用地十分普遍。
鉴于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），因此不推荐用在开关电源中。
3线性光耦合器应用举例
多路输出式电源变换器电路如图3所示。
其输入电压为36V到90V的准方波电压，三路输出分别为：
双向可控硅光电耦合器
UO1=+5V（2A），UO2=+15V，UO3=－15V。
现将UO1定为主输出，其电压调整率SV=±%；UO2和UO3为辅输出，总电源效率可达75%～80%。
电路中采用一片TOP104Y型三端单片开关电源集成电路。
主输出绕组电压经过VD2、C2、L1和C3整流滤波后，得到+5V电压。
VD2采用MBR735型35V/肖特基二极管。
两个辅输出绕组及输出电路完全呈对称结构。
因为±15V输出电流较小，故整流管VD4和VD5均采用UF4002型100V/1A的超快恢复二极管。
由线性光耦CNY17-2和可调式精密并联稳压器TL431C构成光耦反馈式精密开关电源，可以对+5V电压进行精密调整。
反馈绕组电压通过VD3、C4整流滤波后，得到12V反馈电压。
由P6KE120型瞬态电压抑制器和UF4002型超快恢复二极管构成的漏极钳位保护电路，能吸收由高频变压器漏感形成的尖峰电压，保护芯片内部的功率场效应管MOSFET不受损坏。
外部误差放大器由TL431C组成。
当+5V输出电压升高时，经R3、R4分压后得到的取样电压，就与TL431C中的带隙基准电压进行比较，使其阴极电位降低，LED的工作电流IF增大，再通过线性光耦IC2（CNY17-2）使控制端电流IC增大，TOP104Y的输出占空比减小，使UO1维持不变，达到稳压目的。
+5V稳压值UO1则由TL431C、光耦中的LED正向压降来设定。
R1是LED的限流电阻。
误差放大器的频率响应由C5、R2和C6来决定。
C5的作用有三个：
滤除控制端上的尖峰电压；决定自动重启动频率；与R2一起对控制回路进行补偿。
编辑本段好坏判断
用数字万用表的二极管测量档，红表笔接光耦的“1”脚，黑表笔接光耦的“2”脚（即使光耦的发光
耦合器
二极管正向导通）此时万用表显示大约是，红表笔接光耦的“3”脚，黑表笔接光耦的“4”脚，此时万用表显示大约是，证明光耦是好的。
编辑本段隔离
光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离，光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏（三极）管封装在一起。
发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样
耦合器
既耦合传输了信号，又有隔离作用。
只要光耦合器质量好，电路参数设计合理，一般故障少见。
如果系统中出现异常，使输入、输出两侧的电位差超过光耦合器所能承受的电压，就会使之被击穿损坏。
可以认为是一个发光二极管和一个光电二极管或三极管封装到一起。
可以实现信号的完全电气隔离。
在信号采集系统中广泛采用。
光耦是通电使发光二极管发光，光敏二极管接受光导通的器件。
其好处输入和输出是隔离的，就象变压器一样。
6N137和6N138是光耦8脚IC，具体参数搜索一下即可光偶隔离器的缺点是尺寸太大。
编辑本段工作特性
1、共模抑制比很高
在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。
2、输出特性
光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。
当IF>0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。
IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。
3、光电耦合器可作为线性耦合器使用
在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。
光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。
在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。
编辑本段实用技巧
光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。
对于既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分的工业应用测控系统，采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。
但是，使用光耦隔离需要考虑以下几个问题：
①光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问题；
②光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题；
③如果输出有功率要求的话，还得考虑光耦的功率接口设计问题。
1：
光电耦合器非线性的克服
光电耦合器的输入端是发光二极管，因此，它的输入特性可用发光二极管的伏安特性来表示；输出端是光敏三极管，因此光敏三极管的伏安特性就是它的输出特性。
由此可见，光电耦合器存在着非线性工作区域，直接用来传输模拟量时精度较差。
解决方法之一，利用2个具有相同非线性传输特性的光电耦合器，T1和T2，以及2个射极跟随器A1和A2组成。
如果T1和T2是同型号同批次的光电耦合器，可以认为他们的非线性传输特性是完全一致的，即K1（I1）=K2（I1），则放大器的电压增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=（R3/R2）[K1（I1）/K2（I1）]=R3/R2。
由此可见，利用T1和T2电流传输特性的对称性，利用反馈原理，可以很好的补偿他们原来的非线性。
另一种模拟量传输的解决方法，就是采用VFC（电压频率转换）方式。
现场变送器输出模拟量信号（假设电压信号），电压频率转换器将变送器送来的电压信号转换成脉冲序列，通过光耦隔离后送出。
在主机侧，通过一个频率电压转换电路将脉冲序列还原成模拟信号。
此时，相当于光耦隔离的是数字量，可以消除光耦非线性的影响。
这是一种有效、简单易行的模拟量传输方式。
当然，也可以选择线性光耦进行设计，如精密线性光耦TIL300，高速线性光耦6N135/6N136。
线性光耦一般价格比普通光耦高，但是使用方便，设计简单；随着器件价格的下降，使用线性光耦将是趋势。
2：
提高光电耦合器的传输速度
当采用光耦隔离数字信号进行控制系统设计时，光电耦合器的传输特性，即传输速度，往往成为系统最大数据传输速率的决定因素。
在许多总线式结构的工业测控系统中，为了防止各模块之间的相互干扰，同时不降低通讯波特率，我们不得不采用高速光耦来实现模块之间的相互隔离。
常用的高速光耦有6N135/6N136，6N137/6N138。
但是，高速光耦价格比较高，导致设计成本提高。
这里介绍两种方法来提
光耦
高普通光耦的开关速度。
由于光耦自身存在的分布电容，对传输速度造成影响，光敏三极管内部存在着分布电容Cbe和Cce。
由于光耦的电流传输比较低，其集电极负载电阻不能太小，否则输出电压的摆幅就受到了限制。
但是，负载电阻又不宜过大，负载电阻RL越大，由于分布电容的存在，光电耦合器的频率特性就越差，传输延时也越长。
用2只光电耦合器T1，T2接成互补推挽式电路，可以提高光耦的开关速度。
当脉冲上升为“1”
电平时，T1截止，T2导通。
相反，当脉冲为“0”电平时，T1导通，T2截止。
这种互补推挽式电路的频率特性大大优于单个光电耦合器的频率特性。
此外，在光敏三极管的光敏基极上增加正反馈电路，这样可以大大提高光电耦合器的开关速度。
通过增加一个晶体管，四个电阻和一个电容，实验证明，这个电路可以将光耦的最大数据传输速率提高10倍左右。
3：
光耦的功率接口设计
微机测控系统中，经常要用到功率接口电路，以便于驱动各种类型的负载，如直流伺服电机、步进电机、各种电磁阀等。
这种接口电路一般具有带负载能力强、输出电流大、工作电压高的特点。
工程实践表明，提高功率接口的抗干扰能力，是保证工业自动化装置正常运行的关键。
就抗干扰设计而言，很多场合下，既能采用光电耦合器隔离驱动，也能采用继电器隔离驱动。
一般情况下，对于那些响应速度要求不很高的启停操作，我们采用继电器隔离来设计功率接口；对于响应时间要求很快的控制系统，采用光电耦合器
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