1、光电耦合器件的原理及应用摘要本文就国内外光电耦合器的封装结构及其关键技术展开评述，介绍这类器件的性能。特点、封装结构类型、关键技术、发展趋势，从实际应用出发，注重器件本身的物理结构和生产制造技术。关键词：封装；光电耦合器；光电器件；应用光电耦合器是一种光电结合的新型器件。光电祸合器件制作工艺发展很快, 新的光电耦合器件不断出现。因为光电耦合器件有其它电子器件不具备的性能, 因此它被广泛地应用于计量仪器、精密仪器、过程控制、计算机系统、通信设备、医疗设备及家用电器中。随着工艺技术的不断提高, 可望将有更高集成水平、更大工作电流、更高工作速度、原副边耐压更高的光电耦合器件出现。光电耦合器件有更广泛
2、的应用前景, 它将会替代一些与之相比性能较差的电子器件。光电耦合器的结构特点和特点光电耦合器的主要结构是把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内, 然后利用发光器件的管脚作输入端, 而把光接收器的管脚作为输出端。当在输入端加电信号时,发光器件发光。这样,光接收器件由于光敏效应而在光照后产生光电流并由输出端输出。从而实现了以“光”为媒介的电信号传输, 而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。这样就构成了一种中间通过光传输信号的新型半导体光电子器件。光电耦合器的封装形式一般有管形、双列直插式和光导纤维连接三种。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电
3、流，CE 导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE 不通。对于数位量，当输入为低电平 “0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平 “1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平 “ 0”。若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。图一 最常用的光电耦合器之内部结构图 三极管接收型 4 脚封装图二 光电耦合器之内部结构图 三极管接收型 6 脚封装图三 光电耦合器之内部结构图 双发光二极管输入 三极管接收型 4 脚封图四 光电耦合器之内部结构图 可控硅接收型 6 脚封装图五 光电耦合器之内部结构图 双二极管接收型 6
4、 脚封装光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号杂讯比大为提高，主要有以下几方面的原因：（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为 105106。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。（3）光电耦合器可起到很好
5、的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。（4）光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有 10s左右，适于对回应速度要求很高的场合。光耦的主要性能特点如下：隔离性能好，输入端与输出端完全实现了电隔离，其绝缘电阻一般均能达到1010 以上，绝缘耐压在低压时都可满足使用要求，高耐压一般能超过 lkV,有的可达 10kV 以上。光信号单向传输，输出信号对输入端无反馈，可有效阻断电路或系统之间的电联系，但并不切断他们之间的信号传递。光信号不受电磁干扰，工作稳定可靠。抗共模干扰能力强，能很好地抑制干扰并消
6、除噪音。光发射和光敏器件的光谱匹配十分理想，响应速度快，传输效率高。易与逻辑电路连接。无触点。寿命大。体积校耐冲击。工作温度范围宽，符合工业和军用温度标准。 光电耦合器的应用1、用作固体继电器光电耦合器是一种将发光二极管和光敏三极管组装在一起的新颖光电器件, 它采用光信号来传递信息, 从而使电路的输入与输出在电气上处于完全隔离的状态, 这种信息传递方式是所有采用变压器和继电器作隔离来进行信号传递的一般解决方案所不能相比的。由于光电耦合器具有可单向传递信息、通频带宽、寄生反馈小、消噪能力强、抗电磁干扰性能好等特点, 因而无论在数字电路还是在模拟电路中均得到了越来越广泛的应用。2、用光电耦合器代替
7、音频变压器在线性电路中, 两级放大器之间常用音频变压器作耦合。这种耦合的缺点是会在变压器铁芯中损耗掉一部分功率, 并可能造成某些失真。而如果选用光电耦合器来代替音频变压器就可以克服上述这些缺点。3、微机介面电路中的光电隔离微机有多个输入埠，接收来自远处现场设备传来的状态信号，微机对这些信号处理后，输出各种控制信号去执行相应的操作。在现场环境较恶劣时，会存在较大的杂讯干扰，若这些干扰随输入信号一起进入微机系统，会使控制准确性降低，产生误动作。因而，可在微机的输入和输出端，用光耦作介面，对信号及杂讯进行隔离。典型的光电耦合电路如图 6 所示。该电路主要应用在“A D 转换器 ”的数位信号输出，及由
8、 CPU 发出的对前向通道的控制信号与类比电路的介面处，从而实现在不同系统间信号通路相联的同时，在电气通路上相互隔离，并在此基础上实现将类比电路和数位电路相互隔离，起到抑制交叉串扰的作用。 图六 光电耦合器接线原理对于线性类比电路通道，要求光电耦合器必须具有能够进行线性变换和传输的特性，或选择对管，采用互补电路以提高线性度，或用 VF 变换后再用数位光耦进行隔离。4、功率驱动电路中的光电隔离在微机控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过微机的IO 输出，而 IO 的驱动能力有限，一般不足以驱动一些点磁执行器件，需加接驱动介面电路，为避免微机受到干扰，须采取隔离措施。如可控硅所在
9、的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控制信号与可控硅触发电路进行隔离。电路实例如图 7 所示。图七 双向可控硅（晶闸管）在马达控制电路中，也可采用光耦来把控制电路和马达高压电路隔离开。马达靠 MOSFET 或 IGBT 功率管提供驱动电流，功率管的开关控制信号和大功率管之间需隔离放大级。在光耦隔离级放大器级大功率管的连接形式中，要求光耦具有高输出电压、高速和高共模抑制。5、远距离的隔离传送在电脑应用系统中，由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输，信号在传输过程中很易受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真；另外，在通过较长电缆连
10、接的相距较远的设备之间，常因设备间的地线电位差，导致地环路电流，对电路形成差模干扰电压。为确保长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔离措施，将 2 个电路的电气连接隔开，切断可能形成的环路，使他们相互独立，提高电路系统的抗干扰性能。若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光电耦合器将长线完全“浮置” 起来，如图 8 所示。图八 传输长线的光耦浮置处理长线的“浮置 ”去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各电路的电流经公共地线时所产生杂讯电压形成相互窜扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配问题；同时，受控设备短路时，还能保护系统不受损害。6、过零检测电路中的光电隔离零交叉，即过零检测，指交流电压
11、过零点被自动检测进而产生驱动信号，使电子开关在此时刻开始开通。现代的零交叉技术已与光电耦合技术相结合。图 9为一种单片机数控交流调压器中可使用的过零检测电路。图九 过零检测220V 交流电压经电阻 R1 限流后直接加到 2 个反向并联的光电耦合器GD1，GD2 的输入端。在交流电源的正负半周，GD1 和 GD2 分别导通，U0 输出低电平，在交流电源正弦波过零的瞬间，GD1 和 GD2 均不导通，U0 输出高电平。该脉冲信号经反闸整形后作为单片机的中断请求信号和可控矽的过零同步信号。另外, 利用光电耦合器还可以构成与门、或门、与非门等逻辑电路,以及隔离固体开关电路、双稳态电路,斩波器和差分放大
12、电路等多种电路。注意事项（1）在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。（2）当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号（包括数位量信号、控制量信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。结论光电耦合器在多种电子设备中的应用非常广泛。随着数字通信技术的迅速发展以及光隔离器和固体继电器等自动控制部件在机械工业中应用的不断扩大，特别是微处理机在各个领域中的应用推广（有时一台微机上的用量可达十几个甚至上百个）和产品性能的逐步提高，光电耦合器的应用市场将日益扩大，同时，其社会交流和经济交流也一定会十分显著。今后，光电耦合器将向高速化、高性能，小体积，轻重量的方向发展。参考文献1、张跟保 .光电藕合器件特性分析及其应用J.现代电子，1996(01)2、程开福 .光电耦合器的发展及应用J.国外电子元器件,2002（01）3、曲维本, 刘铁墉.光电耦合器的原理及其在电子线路中的应用M.北京： 北京国防工业出版社,19814、屠汉超.GD 系列光电耦合器件的特性及应用介绍J.仪器制造，1978-12-27
