光电耦合器件

将发光器件与光电接收器件组合成一体，制成的具有信号传输功能的器件，称为光电耦合器件。光电耦合器件是以光为媒质把输入端的电信号耦合到输出端的，因此也称为光耦合器。

根据结构和用途，光电耦合器件可分为两类：一类为光电隔离器，其功能是在电路之间传送信息，以实现电路间的电气隔离和消除噪声影响；另一类为光传感器，它是一种固体传感器，主要用于检测物体的位置或检测物体的有无。这两类器件都具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输出和输入之间绝缘、可单向传输模拟或数字信号等特点，因此被广泛用于隔离电路、开关电路、数／模转换电路、逻辑电路，以及长线传输、高压控制线性放大、电平匹配等单元电路。

光电耦合器件的发光器件常采用LED、半导体激光器（LD）和微型钨丝灯等。光电接收器件常采用光电二极管、光电三极管、光电池及光敏电阻等。由于光电耦合器件的发送端与接收端是电、磁绝缘的，只通过光信息联系，因此，在实际应用中它具有许多优点，已成为各类检测、控制技术领域中必不可少的重要器件。

3.5.1 光电耦合器件的结构

光电耦合器件的基本结构如图3－24所示。图3－24（a）所示为将发光器件（发光二极管）与光电接收器件（光电二极管或光电三极管等）封装在黑色树脂壳内构成的光电耦合器件。图3－24（b）所示为将发光器件与光电接收器件封装在金属壳内构成的光电耦合器件。发光器件与光电接收器件靠得很近，但并不接触，它们之间具有很好的电气绝缘特性，绝缘电阻常高于兆欧量级，信号则通过光进行传输。因此，光电耦合器件具有脉冲变压器、继电器和开关电器的功能，而它的信号传输速度、体积、抗干扰性等则是上述器件所无法比拟的。

图3－24 光电耦合器件的基本结构

图3－25 光电耦合器件的电路符号

光电耦合器件的电路符号如图3－25所示。图中的发光二极管和光电二极管泛指一切发光器件和光电接收器件。

图3－26所示为几种不同封装的光电耦合器件的外形。图3－26（a）所示为采用三种不同安装方式的对射式光电耦合开关。光电发射器件与光电接收器件分别安装在整个器件的两臂上，分离尺寸一般为4mm～12mm，分开的目的是要检测两臂间是否存在物体，以及物体的运动速度等参数。图3－26（b）所示为反光型光电耦合器，LED和光电二极管被封装在一个壳体内，两者的发射光轴与接收光轴之间的夹角为锐角，LED发出的光被被测物体反射，并被光电二极管接收，构成反光型光电耦合器。图3－26（c）所示为另一种反光型光电耦合器，LED和光电二极管平行封装在一个壳体内，LED发出的光可以被较远位置上放置的器件反射到光电二极管的光敏面上。显然，这种反光型光电耦合器要比成锐角的耦合器作用距离远。图3－26（d）所示为双列直插封装（DIP）形式的光电耦合器。这种封装形式的器件有多种，可将几组光电耦合器以DIP方式封装在一起，用于多路信号的隔离传输。

图3－26 几种不同封装的光电耦合器件的外形

3.5.2 光电耦合器件的基本特性

光电耦合器件的主要特性有输入特性、输出特性、传输特性和抗干扰特性等。光电耦合器件的输入特性实际上就是作为输入端的发光二极管的特性，而输出特性是作为器件输出端的光敏二、三极管等检测器件的特性。这里只介绍传输特性与抗干扰特性。

1.传输特性

光电耦合器件的传输特性就是输入－输出间的特性，它可用下列几个性能参数来描述。

1）电流传输比β

在直流工作状态下，光电耦合器件的集电极电流IC与发光二极管的注入电流IF之比，称为光电耦合器件的电流传输比，用β表示。图3－27所示为光电耦合器件的输出特性曲线，在其中部取一工作点Q，它所对应的发光电流为IFQ，对应的集电极电流为ICQ，因此，该点的电流传输比为

图3－27 光电耦合器件的输出特性曲线

当工作点选在靠近截止区的Q1点时，虽然发光电流IF变化ΔIF，但相应的ΔIC1变化量却很小。这样，很明显β值要变小。同理，当工作点选在接近饱和区的Q3点时，β值也要变小。这说明工作点选择在输出特性的不同位置时，就具有不同的β值。因此，在传送小信号时，用直流电流传输比是不恰当的，而应当用所选工作点Q处的小信号电流传输比来计算。这种以微小变量定义的传输比称为交流电流传输比，用来表示，即

对于输出特性线性度比较好的光电耦合器件，β值很接近˜β值。一般在线性状态下使用时，都尽可能地把工作点设计在线性工作区；对于开关使用状态，由于不关心交流与直流电流传输比的差别，而且在实际使用中直流传输比便于测量，因此通常都采用直流电流传输比β。

需要指出的是，光电耦合器件的电流传输比与晶体三极管的电流放大倍数都是输出与输入电流的比值，从表面上看是一样的，但它们却有本质的差别。在晶体三极管中，集电极电流IC总是比基极电流Ib大许多倍，甚至几十、几百倍，因此把晶体三极管的输出与输入电流的比值称为电流放大倍数。而在光电耦合器件的基区内，从发射极发射过来的电子与光激发出的空穴相复合而成为光复合电流，可用αIF表示，其中α是与发光二极管的发光效率、光电三极管的光敏效率及二者之间距离有关的系数，通常称为光激发效率。而激发效率一般比较低，所以IF一般大于IC。因此，光电耦合器件在不加复合放大三极管时，其电流传输比都小于1，通常用百分数来表示。

光电耦合器件的电流传输比β随发光电流IF的变化曲线如图3－28所示。在IF较小时，耦合器件处于截止区，因此β值较小；当IF变大后，耦合器件处在线性工作状态。虽然IF增大，β变小，但其变化量是较小的。

图3－28 β－IF曲线

图3－29 β的典型温度特性

β随外界温度的变化曲线如图3－29所示。在0℃以下时，β值随温度T的升高而上升；在0℃以上时，β值随T的增加而下降。

2）输入－输出间绝缘耐压BVCFO

输入－输出间绝缘耐压是指输入与输出端之间的绝缘耐压值。一般低压使用时都能满足要求，而在高压控制时就要注意这一参数。由于绝缘耐压与电流传输比都与发光二极管和光电三极管之间的距离有直接关系，当二者距离增大时，绝缘耐压提高，但电流传输比却降低；反之，当二者距离减小时，虽然β值增大，但BVCFO值却降低了。这是一对矛盾，可根据实际使用要求来挑选不同种类的光电耦合器件。如果制造工艺得到改善，可得到既具有高的β值、又具有高BVCFO值的光电耦合器件。

3）输入－输出间的绝缘电阻RFC

输入与输出端之间的绝缘电阻一般在109Ω～1013Ω之间。它是与耐压密切相关的参数，它与β的关系和耐压与β的关系是一样的。

RFC的大小表征了光电耦合器件的隔离性能。光电耦合器件的RFC一般要比变压器原副边绕组之间的绝缘电阻大几个数量级，因此它的隔离性能要比变压器好得多。

4）输入－输出间的寄生电容CFC

输入与输出端之间的寄生电容CFC变大，会使光电耦合器件的工作频率下降，也能使其共模抑制比（CMRR）下降，故后面的系统噪声容易被反馈到前面系统中。一般的光电耦合器件，其CFC仅为几个皮法，一般在中频范围内都不会影响电路的正常工作，但在高频电路中要予以重视。

5）最高工作频率fm

图3－30为测量光电耦合器件的频率特性的电路。向发光二极管送入幅度相等而频率变化的交流小信号，在光电耦合器的输出端用交流电压表测其交流输出电压值。随着频率的增高，虽然输入电压幅度不变，而输出幅度却下降，当输出电压相对幅值降至0.707时，所对应的频率就称为光电耦合器件的最高工作频率（或称截止频率），用fm来表示。图3－31给出了一个光电耦合器件的频率特性。最高工作频率fm会随着外电路负载的变化而改变，图3－32给出了采用不同负载电阻RL时的fm值，其中RL1＞RL2＞RL3。可以看出，当负载电阻RL减小时，fm增大。

图3－30 测量光电耦合器件频率特性的电路

图3－31 光电耦合器件的频率特性

图3－32 频率特性随RL的变化

图3－33 测量tr与tf的电路

6）脉冲上升时间tr和下降时间tf

图3－33是测量脉冲响应时间的电路图。从输入端输入一个如图2－3（a）所示的前、后沿都很好的矩形脉冲，采用频率特性较高的脉冲示波器来观测输出端的波形，如图2－3（b）所示。由图2－3可见，输出的波形产生了畸变。一般来说，上升时间要大于下降时间。

最高工作频率fm、脉冲上升时间tr和下降时间tf都是衡量光电耦合器件动态特性的参数。当用光电耦合器件传送小的正弦信号或非正弦信号时，用fm来衡量较为方便；当传送脉冲信号时，用tr和tf来衡量则既方便又直观。

tr与tf同fm一样，也是随着负载电阻的变化而变化的，但它们随着负载电阻的减小而减小。

2.抗干扰特性

光电耦合器件的重要优点之一就是能强有力地抑制尖脉冲及各种噪声等的干扰，从而在信息传输中可大大提高信噪比。

1）光电耦合器件抗干扰能力强的原因

光电耦合器件之所以具有很强的抗干扰能力，主要有下面几个原因。

（1）光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为10Ω～1kΩ，而干扰源的内阻一般都很大，一般为103Ω～106Ω。按分压比的原理来计算，能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声将会变得很小。

（2）由于一般干扰噪声源的内阻都很大，虽然也能供给较大的干扰电压，但可供出的能量却很小，只能形成很微弱的电流。而光电耦合器件输入端的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使是电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量，不能使发光二极管发光，从而也将被抑制。

（3）光电耦合器件的输入端和输出端是用光耦合的，且这种耦合又是在一个密封管壳内进行的，因而不会受到外界光的干扰。

（4）光电耦合器件的输入端和输出端之间的寄生电容很小（一般为0.5pF～2pF），绝缘电阻又非常大（一般为1011Ω～1013Ω），因而输出系统内的各种干扰噪声很难通过光电耦合器件反馈到输入系统中去。

2）光电耦合器件抑制干扰噪声电平的估算

下面通过一个具体实例来进一步说明光电耦合器件的抗干扰能力。

在向光电耦合器件输入端馈送的信息（例如矩形脉冲信号）中，不可避免地会伴随有各种各样的干扰信号。这些干扰信号包括系统自身产生的干扰信号、外来射频干扰信号、通过电源及地线等途径窜入的干扰信号、电源脉动干扰信号、外界电火花干扰信号及继电器释放时反抗电动势的泄放干扰信号等。这些干扰信号有尖脉冲、白噪声等。将这些干扰信号的波形画在一起，如图3－34（a）所示，它们的相位和幅度都是随机的。为了计算方便，把这些干扰脉冲都恶劣化为继电器释放时反抗电动势的泄放干扰。根据这一假设，可以把图3－34（a）所示的干扰波形变成图3－34（b）所示的干扰脉冲序列。设每一干扰脉冲宽度为1μs，其重复频率为500 k Hz。这样的脉冲序列可用下列级数来表示：

图3－34 干扰脉冲简化图

由式（3－10）可以看出，该脉冲序列的直流分量为A／2，交流分量是脉冲序列重复频率F的奇数项，于是可用它的一次分量来近似地代表它的整个交流分量部分且不会带来太大的误差。因此，其交流分量可以写为

如图3－35（a）所示，继电器切换时的干扰脉冲，一般是通过线包与触点之间的寄生电容Cs窜入光电耦合器件输入端的。经式（3－11）的简化，就可以画出如图3－35（b）所示的交流等效电路。设继电器线包与触点之间的寄生电容Cs为2pF，则等效阻抗Z0为

图3－35 继电器干扰电路图

设使光电耦合器件工作的最小输入电流为1m A，由于一般发光二极管工作时的正向压降为1V左右，故其等效输入阻抗Z＝1kΩ。显然，Z0≫Z。在该回路内，当瞬时电流达到1m A时，干扰源电压的基波幅值（忽略Z值）为

由于该干扰电压是通过寄生电容耦合过来的，因此式（3－10）中的直流分量不起作用。根据式（3－11），可求出在上述假设条件下，使光电耦合器件工作的最小瞬时幅值近似为

umin＝250V

这个结果表明，在外来干扰脉冲频率为500k Hz、脉宽为1μs时，其幅值只有达到250V时才能够启动光电耦合器件，而低于该值的干扰脉冲都将被光电耦合器件抑制。

如果光电耦合器件的输入工作电流再提高，它能抑制的电平也随之提高。在实际应用中，继电器的工作电压一般最高为30V。要使继电器在切换时产生这么高的干扰脉冲是不太可能的，因此，光电耦合器件完全可以抑制继电器干扰。在所有的干扰中，继电器干扰是最恶劣的一种。因此，光电耦合器件可以成功地抑制几乎所有干扰源所产生的有害信号。

3.5.3 光电耦合器件的应用特点

光电耦合器件具有以下应用特点。

（1）在代替脉冲变压器耦合信号时，可以耦合从零频到几兆赫兹的信息，且失真很小。

（2）在代替继电器使用时，能克服继电器在断电时反电势的泄放干扰及在大振动、大冲击下触点抖动等不可靠的问题。

（3）能很容易地把不同电位的两组电路互连起来，从而圆满且简单地完成电平匹配、电平转换等功能。

（4）光电耦合器输入端的发光器件是电流驱动器件，通过光与输出端耦合，抗干扰能力很强，在长线传输中用它作为终端负载时，可以大大提高信息传输中的信噪比。

（5）在计算机主体运算部分与输入、输出之间，用光电耦合器件作为接口部件，将会大大增强计算机的可靠性。

（6）光电耦合器件的饱和压降比较低，在作为开关器件使用时，具有晶体管开关不可比拟的优点。

（7）在稳压电源中，将它作为过电流自动保护器件使用、保护电路时既简单又可靠。

3.5.4 光电耦合器件的应用

光电耦合器是一种将发光二极管和光电三极管组装在一起而形成的光电器件，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做隔离来进行信号传递的一般解决方案都不能相比的。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，因而在数字电路和模拟电路中均得到了越来越广泛的应用。

1.光电耦合器件在电话保安装置中的应用

为了防止电话线路被并机窃用或电话机被盗用通话，可以利用光电耦合器件来设计一个简单实用的电话保安电路，如图3－36所示。图中由VD1～VD4组成极性转换电路。由于在将该保安器接入电话线路中时，不需要分清电话线路反馈电压的极性，因此，使用该保安器可以给安装带来很大的方便。

图3－36 光电耦合器件用于电话保安装置

平时在挂机状态下，线路中的48V或60V馈电电压（交换机型号不同时，馈电电压也有所不同）经VD1～VD4整流、R2限流、稳压二极管VD稳压后，输入端发光管被点亮，输出端的受光器件转为导通状态而使晶体管V呈截止状态，继电器K不工作，控制线路中的触点S1断开，R1不接入电话线路中，电路处在正常的监控状态。同时S2也处在断开位置，电子蜂鸣器B不发声。

一旦有并机窃用或电话机被盗用时，线路中的馈电电压下降到6V～10V，由于该6V～10V的电压经VD1～VD4整流后不能使VD击穿，因此将不能点亮IC输入端的发光管，这将使输出端由导通转为截止而使阻值无穷大，进而使晶体管V的基极通过电阻R3获得基流而导通，继电器吸合使S1触点闭合，电阻R1被并接到电话线路中而使线路中的电压进一步下降到设定值以下，使电话线路不能被并机窃用，同时电话机因电压不正常而不能工作，从而起到了防止电话线路被并机窃用或电话机被盗用的目的。与此同时，S2闭合，接通电子蜂鸣器电源，使之发出报警声。如果电话户主接打电话，只需按一下开关SB，切断保安器的供电电源即可。

该电话保安器的集成电路IC可选用4N25、4N36等型号的光电耦合器件。继电器可选用工作电压为直流6V的JRX－12F等型号的继电器。为缩小机壳体积，电池可选用6V叠层电池。SB为常闭型按钮开关。电子蜂鸣器可选择FMQ－27型、FMQ－35型电子蜂鸣器，其余参数可按图3－37来选用。

2.用光电耦合器件代替音频变压器

在线性电路中，两级放大器之间常用音频变压器耦合。这种耦合方式的缺点是变压器铁芯会损耗掉一部分功率，并可能造成某些失真，而选用光电耦合器来代替音频变压器则可以克服上述缺点。

目前，利用光电耦合器件代替音频变压器的应用电路有多种形式的，图3－37所示是比较实用的一种。当输入信号Ui经三极管BG1、BG2前级放大之后，驱动光电耦合器左边的LED发光，该光被右边的光电三极管全部吸收并转换成电信号，此信号经后级电路中的三极管BG3放大，并由该管的发射极通过电容器C3后输出一个不失真的放大信号Uo。由于该电路将前、后两级放大器完全隔离，因而杜绝了地环路可能引起的干扰。同时由于该电路还具有消噪功能，因此避免了信号的失真。整个电路的总增益可达到20dB以上，带宽约120k Hz。

图3－37 光电耦合器代替音频变压器的一种实用电路

另外，利用光电耦合器件还可以构成与门、或门、与非门等逻辑电路，以及隔离固体开关电路、双稳压电路、斩波器和差分放大电路等多种电路。