貼片式光電耦合器及其應用

光電耦合器(以下簡稱光耦)是一種發光器件和光敏器件組成的光電器件。它能實現電—光—電信號的變換，並且輸入信號與輸出信號是隔離的。目前極大多數的光耦輸入部分採用砷化鎵紅外發光二極體，輸出部分採用硅光電二極體、硅光電三極體及光觸發可控硅。這是因為峰值波長900～940nm的砷化鎵紅外發光二極體能與硅光電器件的響應峰值波長相吻合，可獲得較高的信號傳輸效率。
光耦的結構　　
　光耦的內部結構(剖面)如圖1所示。光耦輸入部分大都是紅外發光二極體，輸出部分有不同的光敏器件，如圖2所示。


　這裡要說明的是，圖2(c)的輸入部分有兩個背對背的紅外發光二極體，它用於交流輸入的場合；圖2(d)採用達林頓輸出結構，它可使輸出獲得較大的電流；圖2(e)、2(f)的輸出由光觸發雙向可控硅組成，它們主要用來驅動交流負載。圖2(e)與圖2(f)的差別是圖2(f)有過零觸發控制(圖中的“ZC”即“過零”的意思)，而圖2(e)沒有過零觸發控制電路。


基本電路　　

　在圖3(a)中，輸入端加上Vcc電壓，經限流電阻Rin后，有一定的電流IF流經紅外發光二極體，IF與Vcc、發光二極體的正向壓降VF及Rin的關係為：IF=(Vcc-VF)/Rin。式中的VF取1.3V。IF的最大值由資料給出(一般工作時IF≤10mA)。



　圖3(b)的工作原理與圖3(a)相同，不再重複。圖3中輸入、輸出也可用各自的地。
　從圖3(a)可以看出；輸入端不加Vcc電壓，輸出端Vout=0V，輸入端加了Vcc電壓，負載得電，這個功能相當於“繼電器”。如果在輸入端加幅值為5V的脈衝(如圖4所示)，輸出端Vdd=12V，RL=10kΩ，則輸出的脈衝幅值接近12V，從這功一能來看，相當於“變壓器”；若輸入電壓從0躍變到+5V，輸出則從0躍變到接近12V，它又可用作電平轉換。


特點及應用範圍 　　
　光耦的主要特點：輸入與輸出之間絕緣(絕緣電壓可達數千伏)；信號傳輸為單方向，輸出信號不會對輸入信號有影響；能傳輸模擬信號也可傳輸數字信號；抗干擾能力強；體積小、壽命長；由於無觸頭，因此抗振性強。近年來由於生產工藝改進，SMT的發展，開發出性能更好、尺寸更小的貼片式光耦，它由DIP6管腳封裝改進成4管腳封裝，不僅改小尺寸，並且減小了干擾，如圖5所示，但有一些公司其管腳仍按6管腳排列，如圖2所示。頂面有圓圈者為第1管腳，如圖6所示。 　　


　由於該類器件有上述特點，它主要應用於隔離電路、開關電路、邏輯電路、信號長線傳輸、線性放大電路、隔離反饋電路、控制電路及電平轉換電路等。
光耦主要參數
　本文介紹NEC公司及TOSHIBA公司生產的一些常用的貼片式光耦及其主要參數。主要參數如表1及表2所示。




　這裡要說明一下電流傳輸比(CTR)這個參數的意義。CTR是Current Transfer Ratio 的縮寫。它是在一定工作條件下(IF及VCE)，光耦的輸出電流Ic與輸入電流IF的比值，一般用百分比表示，其值低的從幾到幾十，高的從幾十到幾百，達林頓輸出型可達上千。CTR大，則在同樣的IF下，輸出電流Ic大，驅動負載的能力也強(或者說IF較小可獲得大的Ic)。 　　
　這裡順便指出，當用光電耦合器作交流信號傳輸時，必須考慮它的頻率特性。採用GaAs發光二極體及硅光電三極體的光耦，其最高工作頻率約為500kHz；其響應時間小於10μs。
　在使用時要注意的紅外發光二極體的反壓VR一般是很低的，有的VR僅3V。因此在使用時輸入端不能接反，防止紅外發光二極體因反壓過高而擊穿(可在1腳、3腳接一個反向二極體來保護，如圖4所示)。
光耦的簡易測量方法 　　
　光電三極體輸出的光耦是應用最廣泛的，若頂面印刷字跡或圓點看不清楚，可採用指針式三用表來測量，確認哪個管腳是1腳，並且也可簡易測出光耦的好壞。
　由於它是一個二極體及一個三極體c、e極組成的，所以用R×1k擋來測量是十分方便的。只要測出一個二極體：黑表筆接二極體的陽極，紅表筆接二極體的陰極，其阻值約30kΩ，則黑表筆端即1腳。如圖7所示，其它三種測量都應是R=∞(表筆不動)。若光電三極體的測量電阻不是∞，則此光耦不能用。




應用電路　　
　各種不同結構的光耦可滿足輸入、輸出隔離；輸入與輸出共地或不共地；輸入、輸出是直流或交流，使用極為靈活，因此應用極為廣泛，這裡介紹一些典型應用電路。
1．隔離線性放大器電路
如果將輸入的交流信號調製成與信號電壓成比例的調製電流，則經光耦后再經放大可實現隔離線性放大，電路如圖1所示。 　　
+5V電壓及限流電阻（R1及RP）給發光二極體一個偏置電流IFO （一般IFO取得大一點，約10mA），交流信號電壓經C1、R2后加在發光二極體上，疊加在IFO上形成調製電流。經光耦后輸出調製的光電流，在R3上產生一個與輸入電壓成比例的調製電壓，此電壓經C2隔直，交流成分則經放大器放大輸出。
　這裡要指出的是經光耦的電-光及光-電轉換，線性度不是很高。為了減小失真，偏置的電流IFO要大，信號電壓產生的調製電流的峰值電流不超過5mA，可使輸出電壓失真較小。這種光電隔離放大器比隔離放大器要便宜得多。另外，光電三極體的地用表示（說明與輸入電壓不共地）。