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光耦合器的技術特性

光耦合器的技術特性
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*多、用途*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、通信設備及微機接口中。在單片開關電源中，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，計算機及其外部設備、通信機、信號機和道路情報系統(tǒng)，電力機械等領域。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小（2pf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，因其輸入電阻小（約10Ω），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.光耦合器的技術參數(shù)

　　光耦合器的技術參數(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)。

　　*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系。這是其重要特性。在設計光耦反饋式開關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)，才能正常控制單片開關電源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電源中。

4.通用型與達林頓型光耦合器區(qū)分

4.1方法之一

在通用型光耦合器中，接收器是一只硅光電半導體管，因此在B-E之間只有一個硅PN結(jié)。達林頓型不然，它由復合管構(gòu)成，兩個硅PN結(jié)串聯(lián)成復合管的發(fā)射結(jié)。根據(jù)上述差別，很容易將通用型與達林頓型光耦合器區(qū)分開來。具體方法是，將萬用表撥至R×100檔，黑表筆接B極，紅表筆接E極，采用讀取電壓法求出發(fā)射結(jié)正向電壓VBE。若VBE=0.55～0.7V，就是達林頓型光耦合器。

實例：用500型萬用表的R×100檔分別測量4N35、4N30型光耦合器的VBE，測量數(shù)據(jù)及結(jié)論一并列入表2中。

表2測試結(jié)果

型號 RBE（Ω） n`（格） VBE（V）計算公式測試結(jié)論

4N35 850 23 0.69 VBE=0.03n（V）通用型

4N30 4.3k 40.5 1.215 VBE=0.03n`（V）達林頓型

4.2方法之二

　　通用型與達林頓型光電耦合的主要區(qū)別是接收管的電流放大系數(shù)不同。前者的hFE為幾十倍至幾百倍，后者可達數(shù)千倍，二者相差1～2個數(shù)量級。因此，只要準確測量出hFE值，即可加以區(qū)分。在測量時應注意事項：

（1）因為達林頓型光耦合器的hFE值很高，所以表針兩次偏轉(zhuǎn)格數(shù)非常接近。準確讀出n1、 n2的格數(shù)是本方法關鍵所在，否則將引起較大的誤差。此外，歐姆零點亦應事先調(diào)準。

（2）若4N30中的發(fā)射管損壞，但接收管未發(fā)現(xiàn)故障，則可代替超β管使用。同理，倘若4N35中的接收管完好無損，也可作普通硅NPN晶體管使用，實現(xiàn)廢物利用。

（3）對于無基極引線的通用型及達林頓型光耦合器，本方法不再適用。建議采用測電流傳輸比CTR的方法加以區(qū)分。

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