光耦合器的原理及应用

1、光耦合器的原理及应用张雍淋(哈尔滨工业大学，英才学院)摘要：光耦合器是发光器件和光电器件的组合体。由于其抗干扰能力好，信号传输速度快， 隔离性能强，常用于信号隔离转换，脉冲系统的电平匹配，微机控制系统的输入、输出接口。 关键词：光耦合器；传输特性；隔离特性Principle and Application of Opto-couplersZhang Yonglin(The Honors School, Harbin Institute of Technology)Abstract: Opto-couples are combined units of luminescent device an

2、d photoelectric device. Because its good antijamming capability, fast speed of signal transmission and excellent isolation performance, it is used for signal transmission and transform, level match of impulsive system and I/O of computer operating system.Key words: Opto-couples; transmission charact

3、er; isolation character光耦合器简称光耦，是发光器件和光电 器件的组合体。使用时将电信号送入光耦合 器输入侧的发光器件，发光器件将电信号转 换成光信号，由输出端的受光器件（光电器 件）接收并再转换成电信号。由于输入与输 出之间没有直接电气联系，信号输入是通过 光耦合的，所以也称其为光电隔离器。由于光电耦合器具有抗干扰能力强，使 用寿命长，传输效率高等特点，可广泛用于 电气隔离、电平转换、级间耦合开关电路脉 冲放大固态继电器仪器仪表和微型计算机 接口电路中。光耦合器的原理1.1光耦合器的基本结构光耦合器是由一个发光二极管和一个 受光控的光敏晶体管（常为光敏三极管）组 成的，

4、原理示意图如图1所示。发光代渺中 ThT忡。L；ii 川i正向褊氏隗尚佃任图i光耦合器的原理示意图发光管常用砷化镓（GaAs）发光二极 管，这是一种当有正向电流流过其PN结时 就会发光的器件，且发光的强度随电流的增 加而增加。而光敏管则用硅光敏二极管、硅 光敏三极管、场效应管、光敏晶闸管型和光 敏集成电路型等。也可将光敏三极管连接成 达林顿型和集电极互连型等多种型式。常见 的封装方式有管型金属壳真空密封式、双列 直插密封式和光导纤维连接式等三种。其电 路符号如表1所示。1.2光耦合器的工作原理光耦合器的发光管常称为输入部分，相 应的光敏管则称为输出部分。若用一般的 变压器来比拟，则光耦合器的输

5、入部分相 当于变压器的初级，输出部分相当于次级。 因为它们都能将信号从输入端传输到输出 端，且输入和输出从电气特性来看是完全隔 离的。从这种意义上来讲，光耦合器也可称 之为半导体变压器。光电耦合器的工作过程如下：光敏三极 管的导通与截止，是由发光二极管所加正向 电压控制的。当发光二极管加上正向电压 时，发光二极管有电流通过发光，使光敏三 极管内阻减小而导通；反之，当发光二极管 不加正向电压或所加正向电压很小时，发光 二极管中无电流或通过电流很小，发光强度 减弱，光敏三极管的内阻增大而截止。光耦合器的传输特性光耦合器不仅能传输逻辑信号,而且也 能传输模拟信号。用作逻辑信号传输时，要 求有高的传输

6、速度、大的传输增益、好的隔 离特性。用作模拟信号传输时，除了上述要 求外，还要求有好的传输线性。以国产 G0100、G0200、G0300、G0400 为例分析（国 产GOl00系列是三极管型光耦合器，G0200 系列是达林顿型光耦合器，G0300系列是二 极管型光耦合器,G0400系列是集电极互连 的低通导型光耦合器），内部电路如图2所图2国产G0系列光耦合器内部电路图（一）传输增益光耦合器的传输增益是指输出电流和 输入电流的比值，所以也称为电流传输 比，记为CTR。特性曲线如图3所示。图3光耦合器的传输增益由图可以看出，不同型号的光耦合器的 传输增益是不一样的，这主要是由不同的受 光器件的

7、结构决定的。对于G0200型，光电 流受到两个达林顿连接三极管的放大，若它 们的电流放大倍数分别为P1和七，光电流为I，则输出电流I =8 8 I。而GOl00型01 2 0的输出电流仅受到一个三极管的放大。对于 G0300型，输出电流就是光电流，没有任何 放大。传输增益是随温度而略有变化的。由于 发光二极管的发光效率具有负的温度系数， 而光敏三极管的电流放大系数具有正的温 度系数，因此，光耦合器传输增益的温度特 性,取决于这两个相反变化量的具体变化率, 要设法使它们正好相互抵消，这是困难的。 因为它们的变化机理是不一样的。图4给 出了光耦合器传输增益随温度的变化曲线。图4光耦合器的传输增益随

8、温度的变化曲线由图4曲线可见，不同的器件，传输增 益随温度的变化率也是不一样的。有些器件, 在室温以下变化率小，有些器件则在室温以 上变化率小。传输速度光耦合器的传输速度是指信号由输入 端输入至输出端输出所需的时间。有时也用 响应速度来描述。传输速度是光耦合器的一 个重要参数，无论在逻辑传输或模拟传输中, 都希望快速。在逻辑传输时，可用脉冲信号的上升时 间七和下降时间t f来描述，如表2所示。 由表可见,速度最快的是G0300型,最慢的是 G0200型。一般情况下，上升时间大于下 降时间t f。型 号G0100GOBOOQ0300顽4叫34吒500.0610表2脉冲信号的上升时间tT和下降时间

9、t f在作模拟信号传输时，通频带大致如 表3所示。型 号G0100G02VOU03W0GxlOa0-5 X1 伊表3不同型号光耦合器的通频带宽度光耦合器的传输速度除了与器件本身 的材料特性及设计结构有关外，也和使用状 态有关。如光敏管的负载增大，则传输速度 变慢。光敏管集电极输出比发射极输出速度 快。光敏管和三极管接成串接放大器后输出, 传输速度就更快。若将光敏三极管的基极引 出，并接一电阻到地,使基区中的光生空穴 流,也将明显地提高传输速度。传输线性若光耦合器输入信号能被不失真地传 输到它的输出端，则称线性传输。线性传输在模拟电路中是极其重要的。 从图3光耦合器的传输特性来看,GO300型

10、的线性最好，且线性范围也最大，其次是 G0100型,最差是G0200型。产生这种差异， 主要是由光敏三极管的小电流放大倍数和 大电流放大倍数严重不一致所造成的。由于 G0200型的光电流经过了两次非线性的放大, 所以它的非线性失真也就更大些。但无论是 G0100型或GO200型，都可以通过合理地选 取工作点，在一定的动态范围内达到近似的 线性传输。在要求低失真和宽频带的高性能 传输时，宜用G0300型。虽然它的传输增益 较低，但这可通过放大器的增益调整得到补 偿。光耦合器的隔离特性光耦合器的输入部分和输出部分之间 是通过光来耦合的，因此，从原理上讲，输入 和输出间可达到完全的电气隔离。这是光耦

11、 合器在使用中的最大特点。但对于一个具体 的光耦合器，由于结构材料的影响，有时难 免会有漏电和分布电容，甚至击穿。光耦合器的隔离特性，一般用下列参数 来描述：(1 )隔离电阻R,s。这是指光耦合 器输入和输出间的绝缘电阻，一般能达1011 欧以上。(2 )隔离耐压Vi,。光耦合器输入与 输出间的耐压完全取决于它们之间的介质。 对于一般封装的光耦合器，隔离耐压都能大 于2.5千伏，若用光导纤维连接的光耦合器， 耐压可达上万伏，甚至更高。这在等离子物 理及高压系统的信息传输中，具有重大意义。（3 ）隔离电容Cso。光耦合器输入 与输出间的漏泄电容，主要取决于封装结构, 一般可小于1微微法。尽管量值

12、不算大，但 由于输出部分是几十兆欧的高阻抗，有时隔 离电容也是不能不考虑的，尤其是在高频信 号传输时，隔离电容的影响将更为突出。光耦合器的应用光耦合器的用途很广，常用于信号隔 离转换，脉冲系统的电平匹配，危机控制系 统的输入、输出接口等。（一）逻辑信号的传输典型的应用如图5所示。图5光耦合器用于逻辑信号的传输由于甲机和乙机各自独立工作、互不 干扰，但逻辑信号却能通过光耦合器直接传 输,这在某些场合是极其有用的。如设想甲 机是计算机的中心处理器，乙机为终端设备, 则两机用光耦合器连接，既能克服共地电源 的噪声干扰，又能防止终端设备的杂散信号 向中心处理器反射，从而保证中心处理器正 常运行，提高了

13、计算机工作的可靠性。在这 种应用中，由于甲机用电流信号驱动发光管, 因此抗干扰能力很强，即使用长线（几百米） 传输,也不会降低信噪比。（二）电子开关光耦合器具有电子开关作用。利用它 优良的隔离特性及传输特性，可以将两组 电位相差很大的电路耦合起来，既完成信号 传输、又完成电位隔离。如图6所示的高 压可控硅触发控制系统它可以将低压系统 的监控信号，通过光耦合器输送到高压系统, 达到对高压系统的控制。属于这种应用的如 传真机中记录管复印信号的驱动、高能加速 器的调制等，用光耦合器将是理想的电子器 件。图6高压可控硅触发控制系统（三）模拟信号的传输利用二极管型光耦合器的高速和线性 传输特性，国外已制作出带宽为20赫到7 兆赫（-3分贝带宽），上升时间为45毫微秒, 增益为650倍的宽带放大器，电路如图7所图7