光電耦合器的工作原理

光電耦合器是一種把紅外光發射器件和紅外光接受器件以及信號處理電路等封裝在同一管座內的器件。當輸入電信號加到輸入端發光器件LED上，LED發光，光接受器件接受光信號并轉換成電信號，然后將電信號直接輸出，或者將電信號放大處理成標準數字電平輸出，這樣就實現了“電－光－電”的轉換及傳輸，光是傳輸的媒介，因而輸入端與輸出端在電氣上是絕緣的，也稱為電隔離。

光電耦合器，是近幾年發展起來的一種半導體光電器件，由于它具有體積小、壽命長、抗干擾能力強、工作溫度寬及無觸點輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點，被廣泛地應用在電子技術領域及工業自動控制領域中，它可以代替繼電器、變壓器、斬波器等，而用于隔離電路、開關電路、數模轉換、邏輯電路、過流保護、長線傳輸、高壓控制及電平匹配等。

為使讀者了解與應用光電耦合器，今介紹幾種光電耦合器件及應用電路.

1．器件選擇

（1）三極管輸出型光電耦合器

三極管輸出型光電耦合器電路如圖46—1中（a）所示，它是由兩部分組成的。其中，1、2端為輸入端，通常由發光器件構成；4、5、6端接一只光敏三極管構成輸出端，當接收到發射端發出的紅外光后，在三極管集電極中便有電流輸出。

圖46-1

三極管輸出型光電耦合器的特點，是具有很高的輸入輸出絕緣性能，頻率響應可達300kHz，開關時間數微秒。

（2）可控硅輸出型光耦合器

可控硅輸出型光耦合器的電路如圖46?中（b）所示。該器件為六腳雙列式封裝。當1、2端加入輸入信號后，發射管發出的紅外光被接在4、5、6腳的光敏可控硅接收，使其導通。它可應用在低電壓電子電路控制高壓交流回路的開啟。

（3）光耦合的可控硅開關驅動器

圖46—2中（a）為光敏雙向開關器件；圖46?中（b）為過零控制電路及光敏雙向開關器件組合體。它們的工作原理是：利用輸入端紅外光控制輸出端的光敏雙向開關導通，進而觸發外接雙向可控硅導通，達到控制負載接入交流220V回路的目的。圖中（a）為非過零控制，圖中（b）為過零控制。本驅動器有非常好的輸入與輸出絕緣性，可構成固態繼電器的控制電路，其輸出的控制功率由可控允許功率決定。

圖46-2

（4）達林頓管輸出的光檢測器

達林頓管輸出的光檢測器如圖46?中（a）所示。它是由兩只管子組成復合管，具有很高的電流放大能力，形成下一級或負載的驅動電流，有較強的光檢測靈敏度。

（5）數字電路光耦合器

數字電路光耦合器電路如圖46?中（b）所示。光耦合器輸出為施密特觸發電路形式，其特點是響應速度快、數字邏輯可靠，應用于計算機接口、數控電源及電動機控制中。

（6）雙向開關觸發器輸出的光檢測器

圖46—3中的（c）為雙向開關觸發器輸出的光檢測器電路。該圖為三端器件，內部是光敏雙向開關器件，收到紅外光線后，雙向開關器件導通，觸發外接可控硅導通，使負載接入220V回路中。

圖46-3

2．應用電路

（1）開關電路

對于開關電路，往往要求控制電路和開關電路之間要有很好的電隔離，這對于一般的電子開關來說是很難做到的，但采用光電耦合器就很容易實現了。圖46?中（a）所示電路就是用光電耦合器組成的簡單開關電路。

在圖中，當無脈沖信號輸入時，三極管BG處于截止狀態，發光二極管無電流流過不發光，則a、b兩端電阻非常大，相當于開關“斷開”。當輸入端加有脈沖信號時，BG導通，發光二極管發光，則a、b兩端電阻變得很小，相當于開關“接通”。故稱無信號時開關不通，為常開狀態。

圖46—4中（b）所示電路則為“帶閉”狀態，因為無信號輸入時，雖BG截止，但發光二極管有電流通過而發光，使a、b

圖46-4

兩端處于導通狀態，相當于開關“接通”。當有信號輸入時，BG導通，由于BG的集電結壓降在0．3V以下，遠小于發光二極管的正向導通電壓，所以發光二極管無電流流過不發光，則a、b兩端電阻極大，相當于開關“斷開”，故稱“常閉”式。

可見，開關a、b端在電路中不受電位高低的限制，但在使用中應滿足a端電位為正，b端為負，并使Uab＞3V為好，同時還應注意Uab應小于光電三極管的BVceo。

依據圖46—4的原理，光電耦合器可以組成如圖46—5中（a）、（b）等多種形式。

圖46-5

圖中（a）為單刀雙擲開關電路，其中外接二極管D的作用，是保證輸入正脈沖信號時“od”組接通，“ob”組關斷。圖中（b）為雙刀雙擲開關電路，無輸入信號時，BG截止，“ob”與“od”組斷開，“oa”與“oc”組接通；BG導通（即有信號輸入時），“ob”與“od”組接通，而“oa”與“oc”組斷開。它們適于自動控制和遙控設備中使用。

（2）光耦合的可控硅開關電路

圖46—6中（a）所示電路為光耦合器構成的可控硅開關電路。可控硅SCR的觸發電壓取自電阻R，其大小由通過光電三極管的電流決定，直接由輸入電壓控制。該電路簡單，控制端與輸出端有可靠的電隔離。

圖46-6

圖中（b）所示電路，為控制負載為純電阻（如白熾燈泡）的開關電路，圖中R1的阻值由下式確定：R1＝V/1．2A，1．2A為雙向開關的額定電流。當主電網電壓為220V時，V＝/2·220=308V，則R1=308/1．2=250Ω．所以，可控硅SCR的規格應依R1的大小進行選擇。

當開關電路的負載為感性負載（如電動機等），則由于流過感性負載（線圈）的電流與電壓的相位不同，需增加相應元件，方能保證開關電路的正常工作，如圖46?所示。

圖中雙向可控硅SCR的觸發電流，是由R3與C的不同數值而決定的，見表46—1。

表46—1 IG、R3及三者關系表

/IG(Ma)/R3(kΩ)/C(μF)

/15/2.4/0.1

/30/1.2/0.2

/50/0.8/0.3/

圖46—7的開關電路，特別適于遙控時選用。

圖46-7

（3）電平轉換電路

對于不同電平的轉換電路或輸入、輸出電路的電位需要分開時，采用光電耦合器就顯得十分方便了。

中圖46—9的（a）與（b）圖示電路，就是5V電源的TTL集成電路與15V電源的HTL集成電路，相互連接進行電平轉換的基本電路。

圖46-9

圖（a）中，TTL門電路導通時，即輸出低電平，發光二極管導通，光電三極管輸出高電平；TTL門電路截止時，發光二極管截止，光電三極管輸出低電平。

圖（b）中，則是利用TTL截止輸出高電平，發光二極管導通，光電三極管輸出低電平；TTL導通輸出低電平，發光二極管截止，光電三極管輸出高電平。

在進行具體應用時，因CMOS集成電路在低電平時的電流只有1～2mA，難以直接驅動所接的負載，故一般需加一級三極管放大電路來驅動。

（5）高壓穩壓電路

串聯型穩壓電路，比較放大管需選用耐壓高的三極管，若利用光電耦合器的輸入與輸出間絕緣良好的特點，便可實現高壓控制。

圖46—10中的（a）與（b）所示的電路，就是利用光電耦合器的高壓穩壓電路。

圖46-10

圖（a）中，當輸出電壓因某種原因導致升高時，則BG5的偏壓增加，發光二極管的正向電流增大，使光電三極管集電結電壓減小，即引起調整管BG1發射結電壓下降，其集電結電壓上升，從而使原來升高的輸出電壓減小，保持輸出電壓的穩定。BG3管為限流保護電路。光電耦合器是工作在放大狀態的。

（3）用于雙穩態輸出的光耦合電路

圖46—8中（a）所示電路，為光電耦合器控制的雙穩態輸出開關電路，它的特點是由于光電耦合開關接在兩管的發射極回路上，故能有效地解決輸出與負載間的隔離問題。

圖46-8（a）

圖46—8中（b）所示電路為光電耦合開關的施密特電路。當輸入電壓U1為低電平時，光電三極管C、e間呈高電阻，BG1導通，BG2截止，則輸出電壓U0為低電平；當輸入電壓U1大于鑒幅值時，光電三極管c、e間呈低電阻，則BG1截止，BG2導通，輸出的電壓U0為高電平。調節電阻R3，即改變鑒幅電平。