1.概述
光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。
光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。
十幾年來，新型光耦合器不斷涌現(xiàn)，滿足了各種光控制的要求。其應用范圍已擴展到計測儀器，精密儀器，工業(yè)用電子儀器，計算機及其外部設(shè)備、通信機、信號機和道路情報系統(tǒng)，電力機械等領(lǐng)域。這里側(cè)重介紹該器件的工作特性，驅(qū)動和輸出電路及部分實際應用電路。近年來問世的線性光耦合器能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或模擬電流信號，使其應用領(lǐng)域大為拓寬。下面分別介紹光耦合器的工作原理及檢測方法。
2. 光耦合器的性能及類型
用于傳遞模擬信號的光耦合器的發(fā)光器件為二極管、光接收器為光敏三極管。當有電流通過發(fā)光二極管時，便形成一個光源，該光源照射到光敏三極管表面上，使光敏三極管產(chǎn)生集電極電流，該電流的大小與光照的強弱，亦即流過二極管的正向電流的大小成正比。由于光耦合器的輸入端和輸出端之間通過光信號來傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒有電信號的反饋和干擾，故性能穩(wěn)定，抗干擾能力強。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容?。?pf左右）、耐壓高(2.5KV左右)，故共模抑制比很高。輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供電電源間的絕緣電阻。此外，因其輸入電阻?。s10Ω），對高內(nèi)阻源的噪聲相當于被短接。因此，由光耦合器構(gòu)成的模擬信號隔離電路具有優(yōu)良的電氣性能。
事實上，光耦合器是一種由光電流控制的電流轉(zhuǎn)移器件，其輸出特性與普通雙極型晶體管的輸出特性相似，因而可以將其作為普通放大器直接構(gòu)成模擬放大電路，并且輸入與輸出間可實現(xiàn)電隔離。然而，這類放大電路的工作穩(wěn)定性較差，無實用價值。究其原因主要有兩點：一是光耦合器的線性工作范圍較窄，且隨溫度變化而變化；二是光耦合器共發(fā)射極電流傳輸系數(shù)β和集電極反向飽和電流ICBO(即暗電流)受溫度變化的影響明顯。因此，在實際應用中，除應選用線性范圍寬、線性度高的光耦合器來實現(xiàn)模擬信號隔離外，還必須在電路上采取有效措施，盡量消除溫度變化對放大電路工作狀態(tài)的影響。
從光耦合器的轉(zhuǎn)移特性與溫度的關(guān)系可以看出，若使光耦合器構(gòu)成的模擬隔離電路穩(wěn)定實用，則應盡量消除暗電流（ICBO）的影響，以提高線性度，做到靜態(tài)工作點IFQ隨溫度的變化而自動調(diào)整，以使輸出信號保持對稱性，使輸入信號的動態(tài)范圍隨溫度變化而自動變化，以抵消β值隨溫度變化的影響，保證電路工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。
2.1光耦合器的類型
光耦合器有管式、雙列直插式和光導纖維式等封培育形式，其種類達數(shù)十種。光耦合器的種類達數(shù)十種，主要有通用型（又分無基極引線和基極引線兩種）、達林頓型、施密特型、高速型、光集成電路、光纖維、光敏晶閘管型（又分單向晶閘管、雙向晶閘管）、光敏場效應管型。此外還有雙通道式（內(nèi)部有兩套對管）、高增益型、交-直流輸入型等等。國外生產(chǎn)廠家有英國ISOCOM公司等，國內(nèi)廠家的蘇州半導體總廠等。
2.2線性光耦合器的產(chǎn)品分類
線性光耦合器的典型產(chǎn)品及主要參數(shù)見表1，這些光耦均以光敏三極管作為接收管。
??????????????????????????????? 表1典型線性光耦合器的主要參數(shù)
????????????????? 產(chǎn)品型號???? CTR/%?? V（BR）CE0/V????? 生產(chǎn)廠???? 封裝型式
????????????????? PC816A???? 80～160?????? 70??????????? Sharp????? DZP-4基極未引出
????????????????? PC817A???? 80～160?????? 35??????????? Sharp
????????????????? SFH610A-2? 63～125?????? 70??????????? simens
????????????????? NEC2501-H? 80～160?????? 40??????????? NEC
????????????????? CNY17-2??? 63～125?????? 70??????????? Motoroln?? DZP-4基極未引出
????????????????? CNY17-3??? 100～200????? 70??????????? simens
????????????????? SFH600-1?? 63～125?????? 70??????????? simens
????????????????? SFH600-2?? 100～200????? 70??????????? simens
????????????????? CNY75GA??? 63～125?????? 90??????????? Temic?????? DZP-4基極未引出
???????????????? ?CNY75GB??? 100～200????? 90??????????? Temic
????????????????? MOC8101??? 50～80??????? 30??????????? Motoroln
????????????????? MOC8102??? 73～117?????? 30??????????? Motoroln
3.光耦合器的技術(shù)參數(shù)
光耦合器的技術(shù)參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)。此外，在傳輸數(shù)字信號時還需考慮上升時間、下降時間、延遲時間和存儲時間等參數(shù)。
最重要的參數(shù)是電流放大系數(shù)傳輸比CTR（Curremt-Trrasfer Ratio）。通常用直流電流傳輸比來表示。當輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。當接收管的電流放大系數(shù)HFE為常數(shù)時，它等于輸出電流IC之比，通常用百分數(shù)來表示。有公式：
CTR=IC/ IF×100% 。采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20%～30%（如4N35），而PC817則為80%～160%，達林頓型光耦合器（如4N30）可達100%～500%。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此，CTR參數(shù)與晶體管的hFE有某種相似之處。普通光耦合器的CTR-IF特性曲線呈非線性，在IF較小時的非線性失真尤為嚴重，因此它不適合傳輸模擬信號。線性光耦合器的CTR-IF特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號時，其交流電流傳輸比(ΔCTR＝ΔIC/ΔIF)很接近于直流電流傳輸比CTR值。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號，能使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。這是其重要特性。在設(shè)計光耦反饋式開關(guān)電源時必須正確選擇線性光耦合器的型號及參數(shù)，選取原則如下：
（1）光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%～200%。這是因為當CTR＜50%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流(IF＞5.0mA)，才能正?？刂茊纹_關(guān)電源IC的占空比，這會增大光耦的功耗。若CTR＞200%，在啟動電路或者當負載發(fā)生突變時，有可能將單片開關(guān)電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。
（2）推薦采用線性光耦合器，其特點是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。
（3）由英國埃索柯姆(Isocom)公司、美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N××系列(如4N25、4N26、4N35)光耦合器，目前在國內(nèi)應用地十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開關(guān)特性，其線性度差，適宜傳輸數(shù)字信號(高、低電平)，因此不推薦用在開關(guān)電源中。