贴片式光电耦合器及其应用

光电耦合器(以下简称光耦)是一种发光器件和光敏器件组成的光电器件。它能实现电—光—电信号的变换，并且输入信号与输出信号是隔离的。目前极大多数的光耦输入部分采用砷化镓红外发光二极管，输出部分采用硅光电二极管、硅光电三极管及光触发可控硅。这是因为峰值波长900～940nm的砷化镓红外发光二极管能与硅光电器件的响应峰值波长相吻合，可获得较高的信号传输效率。

光耦的结构

光耦的内部结构(剖面)如图1所示。光耦输入部分大都是红外发光二极管，输出部分有不同的光敏器件，如图2所示。



这里要说明的是，图2(c)的输入部分有两个背对背的红外发光二极管，它用于交流输入的场合；图2(d)采用达林顿输出结构，它可使输出获得较大的电流；图2(e)、2(f)的输出由光触发双向可控硅组成，它们主要用来驱动交流负载。图2(e)与图2(f)的差别是图2(f)有过零触发控制(图中的“ZC”即“过零”的意思)，而图2(e)没有过零触发控制电路。



基本电路

光耦的基本电路如图3所示。图3(a)的负载电阻RL接在发射极及地之间，图3(b)的负载电阻RL接在电源Vdd与集电极之间。

在图3(a)中，输入端加上Vcc电压，经限流电阻Rin后，有一定的电流IF流经红外发光二极管，IF与Vcc、发光二极管的正向压降VF及Rin的关系为：IF=(Vcc-VF)/Rin。式中的VF取1.3V。IF的最大值由资料给出(一般工作时IF≤10mA)。



发光二极管发光后，光电三极管导通，集电极电流Ic由Vdd经光电三极管流过RL到地，使输出电压Vout=Ic×RL(或Vout=Vdd-VCE，VCE为光电三极管的管压降)。

图3(b)的工作原理与图3(a)相同，不再重复。图3中输入、输出也可用各自的地。

从图3(a)可以看出；输入端不加Vcc电压，输出端Vout=0V，输入端加了Vcc电压，负载得电，这个功能相当于“继电器”。如果在输入端加幅值为5V的脉冲(如图4所示)，输出端Vdd=12V，RL=10kΩ，则输出的脉冲幅值接近12V，从这功一能来看，相当于“变压器”；若输入电压从0跃变到+5V，输出则从0跃变到接近12V，它又可用作电平转换。



特点及应用范围  

光耦的主要特点：输入与输出之间绝缘(绝缘电压可达数千伏)；信号传输为单方向，输出信号不会对输入信号有影响；能传输模拟信号也可传输数字信号；抗干扰能力强；体积小、寿命长；由于无触头，因此抗振性强。近年来由于生产工艺改进，SMT的发展，开发出性能更好、尺寸更小的贴片式光耦，它由DIP6管脚封装改进成4管脚封装，不仅改小尺寸，并且减小了干扰，如图5所示，但有一些公司其管脚仍按6管脚排列，如图2所示。顶面有圆圈者为第1管脚，如图6所示。  



由于该类器件有上述特点，它主要应用于隔离电路、开关电路、逻辑电路、信号长线传输、线性放大电路、隔离反馈电路、控制电路及电平转换电路等。

光耦主要参数

本文介绍NEC公司及TOSHIBA公司生产的一些常用的贴片式光耦及其主要参数。主要参数如表1及表2所示。





这里要说明一下电流传输比(CTR)这个参数的意义。CTR是Current Transfer Ratio 的缩写。它是在一定工作条件下(IF及VCE)，光耦的输出电流Ic与输入电流IF的比值，一般用百分比表示，其值低的从几到几十，高的从几十到几百，达林顿输出型可达上千。CTR大，则在同样的IF下，输出电流Ic大，驱动负载的能力也强(或者说IF较小可获得大的Ic)。

这里顺便指出，当用光电耦合器作交流信号传输时，必须考虑它的频率特性。采用GaAs发光二极管及硅光电三极管的光耦，其最高工作频率约为500kHz；其响应时间小于10μs。

在使用时要注意的红外发光二极管的反压VR一般是很低的，有的VR仅3V。因此在使用时输入端不能接反，防止红外发光二极管因反压过高而击穿(可在1脚、3脚接一个反向二极管来保护，如图4所示)。

光耦的简易测量方法  

光电三极管输出的光耦是应用最广泛的，若顶面印刷字迹或圆点看不清楚，可采用指针式三用表来测量，确认哪个管脚是1脚，并且也可简易测出光耦的好坏。

由于它是一个二极管及一个三极管c、e极组成的，所以用R×1k挡来测量是十分方便的。只要测出一个二极管：黑表笔接二极管的阳极，红表笔接二极管的阴极，其阻值约30kΩ，则黑表笔端即1脚。如图7所示，其它三种测量都应是R=∞(表笔不动)。若光电三极管的测量电阻不是∞，则此光耦不能用。



应用电路

各种不同结构的光耦可满足输入、输出隔离；输入与输出共地或不共地；输入、输出是直流或交流，使用极为灵活，因此应用极为广泛，这里介绍一些典型应用电路。

1．隔离线性放大器电路

如果将输入的交流信号调制成与信号电压成比例的调制电流，则经光耦后再经放大可实现隔离线性放大，电路如图1所示。  

+5V电压及限流电阻（R1及RP）给发光二极管一个偏置电流IFO （一般IFO取得大一点，约10mA），交流信号电压经C1、R2后加在发光二极管上，叠加在IFO上形成调制电流。经光耦后输出调制的光电流，在R3上产生一个与输入电压成比例的调制电压，此电压经C2隔直，交流成分则经放大器放大输出。

这里要指出的是经光耦的电-光及光-电转换，线性度不是很高。为了减小失真，偏置的电流IFO要大，信号电压产生的调制电流的峰值电流不超过5mA，可使输出电压失真较小。这种光电隔离放大器比隔离放大器要便宜得多。另外，光电三极管的地用表示（说明与输入电压不共地）。

采用PS2701有较好的线性度，输入信号的频率可在音频范围。



2．市电监测电路

图2是一种市电监测电路，当停电时报警。采用TLP126光耦经限流电阻直接与市电220V连接，使光耦的发光二极管发光，光电三极管导通，使10kΩ电阻上的电压接近Vdd（光电三极管的饱和管压降小于0.5V），外接功率MOSFET（VT）的-VGS＜1V，则VT截止，报警电路不工作。3.3μF电容是用来稳定VT栅极的电压，防止交流电压过零使栅极电压变化太大而产生误动作。



市电停电时，发光二极管无电流，光电三极管截止，VT 的-VGS=9V，VT导通，报警电路工作。

Si9400是P沟道功率MOSFET，其主要参数是VDS=-20V，在VGS =-10V时RDS(ON)=0.25Ω，ID=±2.5A。8管脚SO封装，管脚排列如图3所示，使用时，四个D要焊在一起，两个S要焊在一起以便于散热。



3．防盗报警器电路

一种用抽屉被撬防盗报警器电路如图4所示。它由光遮断器、遮断片及有关电路组成。光遮断器是一种光电传感器，它由红外发光二极管及光电三极管及黑色塑料外壳组成，其剖面如图4左边所示，其外形如图4右边所示。



其工作原理与光耦完全相同，区别仅仅是它由遮断片来阻挡光路使光电三极管截止；当遮断片后移，发光二极管的红外光照到光电三极管，光电三极管导通。

光遮断器安装在抽屉的底部，遮断片装在抽屉上，如图5所示。要使防盗报警器工作，接通Vcc（+5V）及Vdd（+9V）。抽屉未被撬时，遮断片遮住光路，光电三极管截止，VT无ID，VT也截止，光耦（TLP169G）的发光二极管无电流，光触发双向可控硅截止，报警电路不工作。



当小偷撬开抽屉，拉出抽屉时，遮断片退后，光遮断器光路通，光电三极管导通，VT相继导通，光耦中的发光二极管工作，光触发双向可控硅导通，报警器电路工作。

这个电路的特点是，一旦报警器工作，即使将抽屉关上，遮光片遮断光路，但双向可控仍然导通，报警电路仍一直报警，即使小偷发现光遮断器，将它破坏，但报警电路还工作。按一下开关K断开Vdd才能使报警电路不工作。

这里VCC的地与Vdd的地不共地，图中用两种地的符号表示。  

由于光遮断器有多种型号，要求发光二极管的工作电流IF各不相同，必要时要调整R1的大小，使其满足IF的要求。

TLP160G的输出部分光触可控硅的最大工作电流在25℃时可达100mA（随着温度增加而减小）。若报警电路工作电流大于80mA，最好外接VT2，如图6所示。



4．交流固态继电器电路

TLP160G光耦用得最广的是用作交流固态继电器。它可以与外接双向可控硅作简单连接来驱动市电供电的各种负载。其电路如图7所示。输入三极管VT的基极的控制信号为高电平时，VT导通，红外发光二极管也导通（VCC 经RIN、红外发光二极管、经VT的C、E极到地），光触发双向可控硅导通；这使外接功率较大的三端双向可控硅导通，负载RL得电。其工作原理相当于图8中的控制开关：K闭合，双向可控硅导通；K断开，双向可控硅截止。





如果将虚线框内的电路做成一个单独的模块，它就是一个交流固态继电器。图7的电路适合于电阻性负载，若是电感性负载，电路中增加一个RC，如图9所示。



这种交流固态继电器有一个缺点，它的双向可控硅不是在交流电过零时触发导通，其结果是正弦波不完整，这瞬间会产生对电网的干扰。外接三端双向可控硅耐压要大于400V，工作电流应大于负载最大电流。

5．过零触发交流固态继电器电路

采用内部有交流电过零时触发电路（图10中的“ZC”部分）的ILP161G光耦，可以做成过零触发交流固态继电器电路，如图10所示。它能在交流电过零附近触发双向可控硅，使交流波形完整，不会造成对电网的干扰。其工作原理与图9相同。图中的39Ω及0.01μF RC电路是一种浪涌电压吸收回路，它用来保护双向可控硅免于瞬态的过压而损坏。外接的三端双向可控硅选择方法与图9电路相同。