6.4 光电耦合器件

• 6.4.1 光电耦合器件的结构与电路符号

将发光器件与光电接收器件组合成一体，制成具有信号传输功能的器件称为光电耦合器件。光电耦合器件的发光件常用 LED 发光二极管、LD 半导体激光器和微形钨丝灯等。光电接收器件常用光电二极管、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，只有光信息相连。因此，在实际应用中它具有许

多特点，成为重要的器件。

用来制造光电耦合器件的发光元件与光电接收元件的种类都很多，因而它具有多种类型和多种封装形式。本节仅介绍几种常见的结构。

• 1. 光电耦合器件的结构

光电耦合器件的基本结构如图 6-28 所示，图 6-28 （ a ）为发光器件（ LED ）与光电接收器件（光电二极管或光电三极管等）被封装在黑色树脂外壳内构成光电耦合器件。图 6-28 （ b ）者将发光器件与光电器件封装在金属管壳内构成的光电耦合器件。使发光器件与光电接收器件靠得很近，但不接触。

光电耦合器件的电路符号如图 6-29 所示，图中的发光二极管泛指一切发光器件，图中的光电二极管也泛指一切光电接收器件。

图 6-30 所示为几种不同封装的光电耦合器，图中（ a ）、（ b ）、（ c ）分别为三种不同安装方式光电发射器件与光电接收器件分别安装器件的两臂上，分离尺寸一般在 4~12m

m ，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。这中封装的器件常被称为光电开关。

图中（ d ）反光型光电耦合器， LED 和光电二极管封装在一个壳体内，两者发射光轴同接收光轴夹一锐角， LED 发出的光被测物体反射，并被光电二极管接收，构成反光型光电耦合器。

图中（ e ）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 发出的光可以在较远的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。

图中（ f ） DIP 封装形式的光电耦合器件。这种封装形式的器件有多种，可将几组光电耦合器封装在一片 DIP 中，用作多路信号隔离传输。

• 3. 光电耦合器件的特点

⑴ 具有电隔离的功能

它的输入、输出信号间完全没有电路的联系，所以输入和输出回路的电子零位可以任意选择。绝缘电阻高达 1010~l012Ω ，击穿电压高达 100~25kV ，耦合电容小于 1PF 。

⑵ 信号传输方式

信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以使用。适用于模拟信号和数字信号。

⑶ 具有抗干扰和噪声的能力 它作为继电器和变压器使用时，可以使线路板上看不到磁性元

件。它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。

⑷ 响应速度快

⑹ 即具有耦合特性又具有隔离特性

它能很容易地把不同电位的两组电路互连起来，圆满地完成电平

匹配、电平转移等功能；

一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级。它可传输的信号频率在直流至 10MHz之间。

⑸ 实用性强

具有一般固体器件的可靠性，体积小 ( 一般 φ6×6mm) ，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低，工作温度范围在－ 55~+l00℃之间。

• 6.4.2 光电耦合器件的特性参数

光电耦合器件的主要特性为隔离特性与传输特性。

1. 传输特性

光电耦合器件的传输特性就是输入与输出间的特性，它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之比定义为光电耦合器件的电流传输比，用 β表

示。如图 6-31 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

βQ=ICQ/ IFQ╳100% （ 6-19 ）

如果工作点选在靠近截止区的 Q1 点时，虽然发光电流 IF 变化了ΔIF ，

但相应的 ΔIC1 ，变化量却很小。这样， β值很明显地要变小。同理，

当工作点选在接近饱和区 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 β 来表示。即

β=ΔIc/ΔIF╳100% (6-20)

对于输出特性线性度做得比较好的光电耦合器件， β值很接近值。在一般的线性状态使用中，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又便于测量，因此通常都采用直流电流传输比 β 。

光电耦合器件的电流传输比与三极管的电流放大倍数都是输出与输入电流之比值，但有本质的差别。光电耦合器件内的输入电流使发光二极管发光，光电耦合器件的输出电流是光电接收器件（光电二极管或光电三极管）接收到的光产生的光电流，可用 αIF表示，其中 α与发光二极管的发光效率、光敏三极管的增益及二者之间距离等参数有关的系数，通常称为光激发效率。

图 6-32 所示为光电耦合器件的电流传输比 β随发光电流 IF

的变化曲线。在 IF 较小时，耦合器件的光电接收器件处于截

止区，因此 β 值较小；当 IF 变大后，光电接收器件处于线性

工作状态， β 值将随 IF增加，而后， IF再增大， β反而会变小，因为发光二极管发出的光不总与电流成正比。图 6-33是β随环境温度的变化曲线。

(2) 输入与输出间的寄生电容 CFC

这是输入与输出端之间的寄生电容。当 CFC 变大时，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，故后面的系统噪音容易反馈到前面系统中。对于一般的光电耦合器件，其 CFC 仅仅为几个 pF ，一般在中频范围内都不会影响电路的正常工作，但在高频电路中就要予以重视了。

(3) 最高工作频率 fm

频率特性分别取决于发光器件与光电接收器件的频率特性，由发光二极管与光电二极管组成的光电耦合器件的频率响应最高，最高工作频率 fm 接近于 10MHz ，其他组合的频率响应相应降低。

图 6-35示出了一个光电耦合器件的频率曲线。图中 RC 为光电耦

合器的负载电阻，显然，最高工作频率 fm 与负载电阻值有关。减

小负载电阻会使光电耦合器件的最高工作频率 fM增高。

（ 4）脉冲上升时间 tr

和 下降时间 tf

光电耦合器在脉冲电压信号的作用下的时间响应特性用输出端的上升时间 tr 和下

降时间 tf描述。如图 6-36 所示为典型光电耦合器件的脉冲响应特性曲线。

• 2. 隔离特性 (1) 输入与输出间隔离电压 BVCFO

光电耦合器的输入（发光器件）与输出（光电接收器件）的隔离特性可用它们之间的隔离电压 BVCFO 来描素。一般低压使用时隔离特性都能满足要求，在高压使用时，隔离电压成为重要的参数。已经可以制造出用于高压隔离应用的耐压高达几千伏或上万伏的光电耦合器件。 (2)输入与输出间的绝缘电阻 RFC

光电耦合器隔离特性另一种描述方式是绝缘电阻。光电耦合器的隔离电阻一般在 109 1013Ω之间。它与耐压密切相关，它与 β 的关系和耐压与 β 的关系一样。

~

• 3. 光电耦合器件的抗干扰特性 (1) 光电耦合器件抗干扰强的原因

① 光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为 10Ω~1kΩ ；而干扰源的内阻很大，为 103~106Ω 。按分压比计算，能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声变得很小。

② 由于干扰噪声源的内阻很大，干扰电压供出的能量却很小，只能形成很弱的电流。而发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，被它抑制掉。

③ 光电耦合器件的输入、输出是用光耦合的，且被密封在管壳内，不会受到外界光的干扰。

④ 光电耦合器件的输入、输出间寄生电容很小 ( 为 0.5 ~ 2pF) ，绝缘电阻大 ( 为 1011~1013Ω) ，因而输出系统的各种干扰噪音很难通过光电耦合器件反馈到输入系统。

(2) 光电耦合器件抑制干扰噪声电平的估算

在向光电耦合器输送信息 (例如矩形脉冲信号 ) 的同时，不可避免地进入干扰信号。这些干扰信号由系统自身产生的干扰、电源脉动干扰、外界电火花干扰以及继电器释放所产生的反电势的泄放干扰等。干扰信号包含各种白噪声和各种频率的尖脉冲，且以继电器等电磁电器的开关干扰最为严重。这些干扰信号的波形如图6-37 （ a ）所示。设每个干扰脉冲宽度为 1μs ，重复频率为500kHz 。经过傅立叶变换，得到含有各种频率的序列余弦函数

U(t)=A/2+ (2 A/π) cos2πFt－ (2 A/3π) cos2π3Ft+ (2

A/5π) cos2π5Ft… (6-21)

由上式可以看出，其的直流分量为 ，交流分量的幅度随频率的升高逐级减弱。

2

A

可以用一次分量来近似地表示整个的交流分量 而不会带来太大的误差。 Uf(t)= 2 A/π cos2πFt (6-22)

如图 6-38 所示，继电器开关干扰常由绕组与接触点间的寄生电容 Cs窜入光电耦合器件的

输入端。图 6-38(b) 所示为它的交流等效电路。

设继电器绕组与接触点间的寄生电容 Cs 为 2pF ，则等效内阻 Zo 为

)(102

1

2

1 60

FCsZ (6-23)

设使光电耦合的最小输入电流为 1mA ，发光二极管的正向压降为 1

V ，故，等效输入阻抗 Z=lkΩ 。显然， Z＜＜ Z 。在该回路内，当瞬时电流达到 1mA 时，干扰源的基波幅值为

)V(102

1)( 3

f

tU (6-24)

根据式（ 6-22 ），可求出使光电耦合器工作的最小电压脉冲的幅值为

Umin=250V

在实际应用中，继电器工作在 30V 以下，继电器开关引起的干扰脉冲绝不可能高于 250V ，因此，不会干扰耦合器。

6.5 光电耦合器件的应用 6.5.1 用于电平转换 工业控制系统所用集成电路的电源电压和信号脉冲的幅度常不尽相同，如 TTL 的电源为 5V ， HTL 为 12V ， PMOS 为－ 22V ， C

MOS则为 5~20V 。如果在系统中必须采用二种集成电路芯片，就必需对电平进行转换，以便逻辑控制的实现。

图 6-39 所示为利用光电耦合器件实现 PMOS 电路的电平与 TTL 电路电平的转换电路。光电耦合器件不但使前后两种不同电平的脉冲信号耦合起来而且使输入与输出电路完全隔离。

• 6.5.2 用于逻辑门电路 利用光电耦合器件可以构成各种逻辑电路，图 6-40 所示为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端 Ui1 和 Ui2 同时输入高电

平 "1" ，则两个发光二极管 GD1 和 GD2 都发光，两个光敏三极管 T

D1 和 TD2 都导通，输出端就呈现高电平“ 1” 。若输入端 Ui1 或 Ui2

中有一个为低电平“ 0” ，则输出光电三极管中必有一个不导通，使得输出信号为“ 0” ，故为与门逻辑电路，Uo= Ui1· Ui2 。

光电耦合器件还可以构成与非、或、或非、异或等逻辑电路。

• 1. PN 结注入发光 图 6-41 所示典型应用电路中左侧的输入电路电源为 13.5V 的 HT

L逻辑电路，中间的中央运算器、处理器等电路为 +5V 电源，后边的输出部分依然为抗干扰特性高的 HTL 电路。

将这些电源与逻辑电平不同的部分耦合起来需要采用光电耦合器。

输入信号经光电耦合器送至中央运算、处理部分的 TTL 电路， TTL

电路的输出又通过光电耦合器送到抗干扰能力高的 HTL 电路，光电耦合器成了 TTL 和 HTL 两种电路的媒介。

• 6.5.3 隔离方面的应用

有时为隔离干扰，或者为使高压电路与低压信号分开，可采

用光电耦合器。图 6-41 所示电路中表明了光电耦合器件的又一个重要的功能，即隔离功能。

在电子计算机与外围设备相连的情况下，会出现感应噪声、接地回路噪声等问题。为了使输入、输出设备及长线传输设备等外围设备的各种干扰不窜入计算机，以便提高计算机工作的可靠

性，亦采用光电耦合器把计算机与外围设备隔离开来。

• 6.5.4 可控硅控制电路中的应用 可控硅整流器，或 SCR ，是一种很普通的单向低压控制高压的器件，可以将其用于光触发的形式。同样，双向可控硅是由一种很普通的 SCR 发展改进的器件，它也可用于光触发形式。将一只 SC

R 和一只 LED密封在一个封装中，就可以构成一只光耦合的 SCR ；而将一只双向可控硅和一只 LED密封在一个封装中就可以制成一只光耦合的双向可控硅。

思考题与习题 6

6.8 举例说明光电耦合器件可以应用在哪些方面？为什么计算机系统常采用光电耦合器件？

6.9 为什么由发光二极管与光电二极管构成的光电耦合器件的电流传输比小于 1 ，而 由发光二极管与光电三极管构成的光电耦合器件的电流传输比可能大于等于 1？

6.10 用光电耦合器件构成或门、或非门逻辑电路（要求画出电路图）。

6.11 光电耦合器件在电路中的信号传输作用与电容的隔直传交作用有什么不同？

6.12 试分析图 6-44 ，如果光电耦合双向可控硅的光电流必须大于 30 mA ，所提供的输入电压不大于 5V ，试问输入电阻 RI至少为多少 Ω？