貼片式光電耦合器原理及其應(yīng)用

　　光電耦合器（以下簡稱光耦）是一種發(fā)光器件和光敏器件組成的光電器件。它能實現(xiàn)電—光—電信號的變換，并且輸入信號與輸出信號是隔離的。目前極大多數(shù)的光耦輸入部分采用砷化鎵紅外發(fā)光二極管，輸出部分采用硅光電二極管、硅光電三極管及光觸發(fā)可控硅。這是因為峰值波長900～940nm的砷化鎵紅外發(fā)光二極管能與硅光電器件的響應(yīng)峰值波長相吻合，可獲得較高的信號傳輸效率。

　　光耦的結(jié)構(gòu)

　　光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（剖面）如圖1所示。光耦輸入部分大都是紅外發(fā)光二極管，輸出部分有不同的光敏器件，如圖2所示。

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

　　基本電路

　　光耦的基本電路如圖3所示。圖3（a）的負載電阻RL接在發(fā)射極及地之間，圖3（b）的負載電阻RL接在電源Vdd與集電極之間。

　　在圖3（a）中，輸入端加上Vcc電壓，經(jīng)限流電阻Rin后，有一定的電流IF流經(jīng)紅外發(fā)光二極管，IF與Vcc、發(fā)光二極管的正向壓降VF及Rin的關(guān)系為：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）。

　　發(fā)光二極管發(fā)光后，光電三極管導(dǎo)通，集電極電流Ic由Vdd經(jīng)光電三極管流過RL到地，使輸出電壓Vout=Ic×RL（或Vout=Vdd-VCE，VCE為光電三極管的管壓降）。

　　圖3（b）的工作原理與圖3（a）相同，不再重復(fù)。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(dāng)于“繼電器”。如果在輸入端加幅值為5V的脈沖（如圖4所示），輸出端Vdd=12V，RL=10kΩ，則輸出的脈沖幅值接近12V，從這功一能來看，相當(dāng)于“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(zhuǎn)換。

　　特點及應(yīng)用范圍

　　光耦的主要特點：輸入與輸出之間絕緣（絕緣電壓可達數(shù)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(shù)字信號；抗干擾能力強；體積小、壽命長；由于無觸頭，因此抗振性強。近年來由于生產(chǎn)工藝改進，SMT的發(fā)展，開發(fā)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，并且減小了干擾，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。

　　由于該類器件有上述特點，它主要應(yīng)用于隔離電路、開關(guān)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(zhuǎn)換電路等。

　　光耦主要參數(shù)

　　本文介紹NEC公司及TOSHIBA公司生產(chǎn)的一些常用的貼片式光耦及其主要參數(shù)。主要參數(shù)如表1及表2所示。

　　這里要說明一下電流傳輸比（CTR）這個參數(shù)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(qū)動負載的能力也強（或者說IF較小可獲得大的Ic）。

　　這里順便指出，當(dāng)用光電耦合器作交流信號傳輸時，必須考慮它的頻率特性。采用GaAs發(fā)光二極管及硅光電三極管的光耦，其最高工作頻率約為500kHz；其響應(yīng)時間小于10μs。

　　在使用時要注意的紅外發(fā)光二極管的反壓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(fā)光二極管因反壓過高而擊穿（可在1腳、3腳接一個反向二極管來保護，如圖4所示）。

　　光耦的簡易測量方法

　　光電三極管輸出的光耦是應(yīng)用最廣泛的，若頂面印刷字跡或圓點看不清楚，可采用指針式三用表來測量，確認哪個管腳是1腳，并且也可簡易測出光耦的好壞。

　　由于它是一個二極管及一個三極管c、e極組成的，所以用R×1k擋來測量是十分方便的。只要測出一個二極管：黑表筆接二極管的陽極，紅表筆接二極管的陰極，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(yīng)是R=∞（表筆不動）。若光電三極管的測量電阻不是∞，則此光耦不能用。

　　應(yīng)用電路

　　各種不同結(jié)構(gòu)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(yīng)用極為廣泛，這里介紹一些典型應(yīng)用電路。

　　1．隔離線性放大器電路

　　如果將輸入的交流信號調(diào)制成與信號電壓成比例的調(diào)制電流，則經(jīng)光耦后再經(jīng)放大可實現(xiàn)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(fā)光二極管一個偏置電流IFO （一般IFO取得大一點，約10mA），交流信號電壓經(jīng)C1、R2后加在發(fā)光二極管上，疊加在IFO上形成調(diào)制電流。經(jīng)光耦后輸出調(diào)制的光電流，在R3上產(chǎn)生一個與輸入電壓成比例的調(diào)制電壓，此電壓經(jīng)C2隔直，交流成分則經(jīng)放大器放大輸出。

　　這里要指出的是經(jīng)光耦的電-光及光-電轉(zhuǎn)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(chǎn)生的調(diào)制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，光電三極管的地用表示（說明與輸入電壓不共地）。

　　采用PS2701有較好的線性度，輸入信號的頻率可在音頻范圍。

　　2．市電監(jiān)測電路

　　圖2是一種市電監(jiān)測電路，當(dāng)停電時報警。采用TLP126光耦經(jīng)限流電阻直接與市電220V連接，使光耦的發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導(dǎo)通，使10kΩ電阻上的電壓接近Vdd（光電三極管的飽和管壓降小于0.5V），外接功率MOSFET（VT）的-VGS＜1V，則VT截止，報警電路不工作。3.3μF電容是用來穩(wěn)定VT柵極的電壓，防止交流電壓過零使柵極電壓變化太大而產(chǎn)生誤動作。

　　市電停電時，發(fā)光二極管無電流，光電三極管截止，VT 的-VGS=9V，VT導(dǎo)通，報警電路工作。

　　Si9400是P溝道功率MOSFET，其主要參數(shù)是VDS=-20V，在VGS =-10V時RDS（ON）=0.25Ω，ID=±2.5A。8管腳SO封裝，管腳排列如圖3所示，使用時，四個D要焊在一起，兩個S要焊在一起以便于散熱。

　　3．防盜報警器電路

　　一種用抽屜被撬防盜報警器電路如圖4所示。它由光遮斷器、遮斷片及有關(guān)電路組成。光遮斷器是一種光電傳感器，它由紅外發(fā)光二極管及光電三極管及黑色塑料外殼組成，其剖面如圖4左邊所示，其外形如圖4右邊所示。

　　其工作原理與光耦完全相同，區(qū)別僅僅是它由遮斷片來阻擋光路使光電三極管截止；當(dāng)遮斷片后移，發(fā)光二極管的紅外光照到光電三極管，光電三極管導(dǎo)通。

　　光遮斷器安裝在抽屜的底部，遮斷片裝在抽屜上，如圖5所示。要使防盜報警器工作，接通Vcc（+5V）及Vdd（+9V）。抽屜未被撬時，遮斷片遮住光路，光電三極管截止，VT無ID，VT也截止，光耦（TLP169G）的發(fā)光二極管無電流，光觸發(fā)雙向可控硅截止，報警電路不工作。

　　當(dāng)小偷撬開抽屜，拉出抽屜時，遮斷片退后，光遮斷器光路通，光電三極管導(dǎo)通，VT相繼導(dǎo)通，光耦中的發(fā)光二極管工作，光觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通，報警器電路工作。

　　這個電路的特點是，一旦報警器工作，即使將抽屜關(guān)上，遮光片遮斷光路，但雙向可控仍然導(dǎo)通，報警電路仍一直報警，即使小偷發(fā)現(xiàn)光遮斷器，將它破壞，但報警電路還工作。按一下開關(guān)K斷開Vdd才能使報警電路不工作。

　　這里VCC的地與Vdd的地不共地，圖中用兩種地的符號表示。

　　由于光遮斷器有多種型號，要求發(fā)光二極管的工作電流IF各不相同，必要時要調(diào)整R1的大小，使其滿足IF的要求。

　　TLP160G的輸出部分光觸可控硅的最大工作電流在25℃時可達100mA（隨著溫度增加而減小）。若報警電路工作電流大于80mA，最好外接VT2，如圖6所示。

　　4．交流固態(tài)繼電器電路

　　TLP160G光耦用得最廣的是用作交流固態(tài)繼電器。它可以與外接雙向可控硅作簡單連接來驅(qū)動市電供電的各種負載。其電路如圖7所示。輸入三極管VT的基極的控制信號為高電平時，VT導(dǎo)通，紅外發(fā)光二極管也導(dǎo)通（VCC 經(jīng)RIN、紅外發(fā)光二極管、經(jīng)VT的C、E極到地），光觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通；這使外接功率較大的三端雙向可控硅導(dǎo)通，負載RL得電。其工作原理相當(dāng)于圖8中的控制開關(guān)：K閉合，雙向可控硅導(dǎo)通；K斷開，雙向可控硅截止。

　　如果將虛線框內(nèi)的電路做成一個單獨的模塊，它就是一個交流固態(tài)繼電器。圖7的電路適合于電阻性負載，若是電感性負載，電路中增加一個RC，如圖9所示。

　　這種交流固態(tài)繼電器有一個缺點，它的雙向可控硅不是在交流電過零時觸發(fā)導(dǎo)通，其結(jié)果是正弦波不完整，這瞬間會產(chǎn)生對電網(wǎng)的干擾。外接三端雙向可控硅耐壓要大于400V，工作電流應(yīng)大于負載最大電流。

　　5．過零觸發(fā)交流固態(tài)繼電器電路

　　采用內(nèi)部有交流電過零時觸發(fā)電路（圖10中的“ZC”部分）的ILP161G光耦，可以做成過零觸發(fā)交流固態(tài)繼電器電路，如圖10所示。它能在交流電過零附近觸發(fā)雙向可控硅，使交流波形完整，不會造成對電網(wǎng)的干擾。其工作原理與圖9相同。圖中的39Ω及0.01μF RC電路是一種浪涌電壓吸收回路，它用來保護雙向可控硅免于瞬態(tài)的過壓而損壞。外接的三端雙向可控硅選擇方法與圖9電路相同。