光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。是一種把發(fā)光元件和光敏元件封裝在同一殼體內(nèi)，中間通過電→光→電的轉(zhuǎn)換來傳輸電信號(hào)的半導(dǎo)體光電子器件。用于傳遞模擬信號(hào)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(dāng)有電流通過發(fā)光二極管時(shí)，便形成一個(gè)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(qiáng)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(hào)來傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒有電信號(hào)的反饋和干擾，故性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。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(duì)高內(nèi)阻源的噪聲相當(dāng)于被短接。因此，由光耦合器構(gòu)成的模擬信號(hào)隔離電路具有優(yōu)良的電氣性能。

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(shí)用，則應(yīng)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(diǎn)IFQ隨溫度的變化而自動(dòng)調(diào)整，以使輸出信號(hào)保持對(duì)稱性，使輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍隨溫度變化而自動(dòng)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。

光耦以光信號(hào)為媒介來實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)。對(duì)于既包括弱電控制部分，又包括強(qiáng)電控制部分的工業(yè)應(yīng)用測控系統(tǒng)，采用光耦隔離可以很好地實(shí)現(xiàn)弱電和強(qiáng)電的隔離，達(dá)到抗干擾目的。但是，使用光耦隔離需要考慮以下幾個(gè)問題：

① 光耦直接用于隔離傳輸模擬量時(shí)，要考慮光耦的非線性問題；

② 光耦隔離傳輸數(shù)字量時(shí)，要考慮光耦的響應(yīng)速度問題；

③ 如果輸出有功率要求的話，還得考慮光耦的功率接口設(shè)計(jì)問題。

1、光電耦合器非線性的克服

光電耦合器的輸入端是發(fā)光二極管，因此，它的輸入特性可用發(fā)光二極管的伏安特性來表示，如圖1b所示；輸出端是光敏三極管，因此光敏三極管的伏安特性就是它的輸出特性，如圖1c所示。由圖可見，光電耦合器存在著非線性工作區(qū)域，直接用來傳輸模擬量時(shí)精度較差。

圖1 光電耦合器結(jié)構(gòu)及輸入、輸出特性

解決方法之一，利用2個(gè)具有相同非線性傳輸特性的光電耦合器，T1和T2，以及2個(gè)射極跟隨器A1和A2組成，如圖2所示。如果T1和T2是同型號(hào)同批次的光電耦合器，可以認(rèn)為他們的非線性傳輸特性是完全一致的，即K1（I1）=K2（I1），則放大器的電壓增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=（R3/R2）［K1（I1）/K2（I1）］=R3/R2。由此可見，利用T1和T2電流傳輸特性的對(duì)稱性，利用反饋原理，可以很好的補(bǔ)償他們?cè)瓉淼姆蔷€性。

圖2 光電耦合線性電路

另一種模擬量傳輸?shù)慕鉀Q方法，就是采用VFC（電壓頻率轉(zhuǎn)換）方式，如圖3所示。現(xiàn)場變送器輸出模擬量信號(hào)（假設(shè)電壓信號(hào)），電壓頻率轉(zhuǎn)換器將變送器送來的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖序列，通過光耦隔離后送出。在主機(jī)側(cè)，通過一個(gè)頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將脈沖序列還原成模擬信號(hào)。此時(shí)，相當(dāng)于光耦隔離的是數(shù)字量，可以消除光耦非線性的影響。這是一種有效、簡單易行的模擬量傳輸方式。

圖3 VFC方式傳送信號(hào)

當(dāng)然，也可以選擇線性光耦進(jìn)行設(shè)計(jì)，如精密線性光耦TIL300，高速線性光耦6N135/6N136。線性光耦一般價(jià)格比普通光耦高，但是使用方便，設(shè)計(jì)簡單；隨著器件價(jià)格的下降，使用線性光耦將是趨勢。

2、提高光電耦合器的傳輸速度

當(dāng)采用光耦隔離數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，光電耦合器的傳輸特性，即傳輸速度，往往成為系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)傳輸速率的決定因素。在許多總線式結(jié)構(gòu)的工業(yè)測控系統(tǒng)中，為了防止各模塊之間的相互干擾，同時(shí)不降低通訊波特率，我們不得不采用高速光耦來實(shí)現(xiàn)模塊之間的相互隔離。常用的高速光耦有6N135/6N136，6N137/6N138。但是，高速光耦價(jià)格比較高，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本提高。這里介紹兩種方法來提高普通光耦的開關(guān)速度。

由于光耦自身存在的分布電容，對(duì)傳輸速度造成影響，光敏三極管內(nèi)部存在著分布電容Cbe和Cce，如圖4所示。由于光耦的電流傳輸比較低，其集電極負(fù)載電阻不能太小，否則輸出電壓的擺幅就受到了限制。但是，負(fù)載電阻又不宜過大，負(fù)載電阻RL越大，由于分布電容的存在，光電耦合器的頻率特性就越差，傳輸延時(shí)也越長。

圖4 光敏三極管內(nèi)部分布電容

用2只光電耦合器T1，T2接成互補(bǔ)推挽式電路，可以提高光耦的開關(guān)速度，如圖5所示。當(dāng)脈沖上升為“1”電平時(shí)，T1截止，T2導(dǎo)通。相反，當(dāng)脈沖為“0”電平時(shí)，T1導(dǎo)通，T2截止。這種互補(bǔ)推挽式電路的頻率特性大大優(yōu)于單個(gè)光電耦合器的頻率特性。

圖5 2只光電耦合器構(gòu)成的推挽式電路

此外，在光敏三極管的光敏基極上增加正反饋電路，這樣可以大大提高光電耦合器的開關(guān)速度。如圖6所示電路，通過增加一個(gè)晶體管，四個(gè)電阻和一個(gè)電容，實(shí)驗(yàn)證明，這個(gè)電路可以將光耦的最大數(shù)據(jù)傳輸速率提高10倍左右。

圖6 通過增加光敏基極正反饋來提高光耦的開關(guān)速度

3、光耦的功率接口設(shè)計(jì)

微機(jī)測控系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到功率接口電路，以便于驅(qū)動(dòng)各種類型的負(fù)載，如直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、各種電磁閥等。這種接口電路一般具有帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出電流大、工作電壓高的特點(diǎn)。工程實(shí)踐表明，提高功率接口的抗干擾能力，是保證工業(yè)自動(dòng)化裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

就抗干擾設(shè)計(jì)而言，很多場合下，我們既能采用光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng)，也能采用繼電器隔離驅(qū)動(dòng)。一般情況下，對(duì)于那些響應(yīng)速度要求不很高的啟停操作，我們采用繼電器隔離來設(shè)計(jì)功率接口；對(duì)于響應(yīng)時(shí)間要求很快的控制系統(tǒng)，我們采用光電耦合器進(jìn)行功率接口電路設(shè)計(jì)。這是因?yàn)槔^電器的響應(yīng)延遲時(shí)間需幾十ms，而光電耦合器的延遲時(shí)間通常都在10us之內(nèi)，同時(shí)采用新型、集成度高、使用方便的光電耦合器進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)，可以達(dá)到簡化電路設(shè)計(jì)，降低散熱的目的。

圖7是采用光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載的典型電路。因?yàn)槠胀ü怆婑詈掀鞯碾娏鱾鬏敱菴RT非常小，所以一般要用三極管對(duì)輸出電流進(jìn)行放大，也可以直接采用達(dá)林頓型光電耦合器（見圖8）來代替普通光耦T1。例如東芝公司的4N30。對(duì)于輸出功率要求更高的場合，可以選用達(dá)林頓晶體管來替代普通三極管，例如ULN2800高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，它的輸出電流和輸出電壓分別達(dá)到500mA和50V。

圖7 光電隔離，加三極管放大驅(qū)動(dòng)

圖8 達(dá)林頓型光電耦合器

對(duì)于交流負(fù)載，可以采用光電可控硅驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，例如TLP541G，4N39。光電可控硅驅(qū)動(dòng)器，特點(diǎn)是耐壓高，驅(qū)動(dòng)電流不大，當(dāng)交流負(fù)載電流較小時(shí)，可以直接用它來驅(qū)動(dòng)，如圖9所示。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，可以外接功率雙向可控硅，如圖10所示。其中，R1為限流電阻，用于限制光電可控硅的電流；R2為耦合電阻，其上的分壓用于觸發(fā)功率雙向可控硅。

圖9 小功率交流負(fù)載

圖10 大功率交流負(fù)載

當(dāng)需要對(duì)輸出功率進(jìn)行控制時(shí)，可以采用光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器，例如MOC3010。圖11為交流可控驅(qū)動(dòng)電路，來自微機(jī)的控制信號(hào) 經(jīng)過光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器T1隔離，控制雙向可控硅T2的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)交流負(fù)載的功率控制。

圖11 交流可控電路

圖12為交流電源輸出直流可控電路。來自微機(jī)的控制信號(hào) 經(jīng)過光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器隔離，控制可控硅橋式整流電路導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)交流一直流的功率控制。此電路已經(jīng)應(yīng)用在我們實(shí)驗(yàn)室研制的新型電機(jī)控制設(shè)備中，效果良好。

圖12 交-直流可控