光電耦合器(簡稱光耦)，是一種把發(fā)光元件和光敏元件封裝在同一殼體內(nèi)，中間通過電→光→電的轉(zhuǎn)換來傳輸電信號的半導(dǎo)體光電子器件。光電耦合器可根據(jù)不同要求，由不同種類的發(fā)光元件和光敏元件組合成許多系列的光電耦合器。目前應(yīng)用最廣的是發(fā)光二極管和光敏三極管組合成的光電耦合器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1a所示。
光耦以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強(qiáng)的特點。對于既包括弱電控制部分，又包括強(qiáng)電控制部分的工業(yè)應(yīng)用測控系統(tǒng)，采用光耦隔離可以很好地實現(xiàn)弱電和強(qiáng)電的隔離，達(dá)到抗干擾目的。但是，使用光耦隔離需要考慮以下幾個問題：
①光耦直接用于隔離傳輸模擬量時，要考慮光耦的非線性問題；
②光耦隔離傳輸數(shù)字量時，要考慮光耦的響應(yīng)速度問題；
③如果輸出有功率要求的話，還得考慮光耦的功率接口設(shè)計問題。
1 光電耦合器非線性的克服
光電耦合器的輸入端是發(fā)光二極管，因此，它的輸入特性可用發(fā)光二極管的伏安特性來表示，如圖1b所示；輸出端是光敏三極管，因此光敏三極管的伏安特性就是它的輸出特性，如圖1c所示。由圖可見，光電耦合器存在著非線性工作區(qū)域，直接用來傳輸模擬量時精度較差。
圖1 光電耦合器結(jié)構(gòu)及輸入、輸出特性
解決方法之一，利用2個具有相同非線性傳輸特性的光電耦合器，T1和T2，以及2個射極跟隨器A1和A2組成，如圖2所示。如果T1和T2是同型號同批次的光電耦合器，可以認(rèn)為他們的非線性傳輸特性是完全一致的，即K1(I1)=K2(I1)，則放大器的電壓增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=(R3/R2)[K1(I1)/K2(I1)]=R3/R2。由此可見，利用T1和T2電流傳輸特性的對稱性，利用反饋原理，可以很好的補(bǔ)償他們原來的非線性。
圖2 光電耦合線性電路
另一種模擬量傳輸?shù)慕鉀Q方法，就是采用VFC(電壓頻率轉(zhuǎn)換)方式，如圖3所示?，F(xiàn)場變送器輸出模擬量信號(假設(shè)電壓信號)，電壓頻率轉(zhuǎn)換器將變送器送來的電壓信號轉(zhuǎn)換成脈沖序列，通過光耦隔離后送出。在主機(jī)側(cè)，通過一個頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將脈沖序列還原成模擬信號。此時，相當(dāng)于光耦隔離的是數(shù)字量，可以消除光耦非線性的影響。這是一種有效、簡單易行的模擬量傳輸方式。
圖3 VFC方式傳送信號
當(dāng)然，也可以選擇線性光耦進(jìn)行設(shè)計，如精密線性光耦TIL300，高速線性光耦6N135/6N136。線性光耦一般價格比普通光耦高，但是使用方便，設(shè)計簡單；隨著器件價格的下降，使用線性光耦將是趨勢。
2 提高光電耦合器的傳輸速度
當(dāng)采用光耦隔離數(shù)字信號進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計時，光電耦合器的傳輸特性，即傳輸速度，往往成為系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)傳輸速率的決定因素。在許多總線式結(jié)構(gòu)的工業(yè)測控系統(tǒng)中，為了防止各模塊之間的相互干擾，同時不降低通訊波特率，我們不得不采用高速光耦來實現(xiàn)模塊之間的相互隔離。常用的高速光耦有6N135/6N136，6N137/6N138。但是，高速光耦價格比較高，導(dǎo)致設(shè)計成本提高。這里介紹兩種方法來提高普通光耦的開關(guān)速度。
由于光耦自身存在的分布電容，對傳輸速度造成影響，光敏三極管內(nèi)部存在著分布電容Cbe和Cce，如圖4所示。由于光耦的電流傳輸比較低，其集電極負(fù)載電阻不能太小，否則輸出電壓的擺幅就受到了限制。但是，負(fù)載電阻又不宜過大，負(fù)載電阻RL越大，由于分布電容的存在，光電耦合器的頻率特性就越差，傳輸延時也越長。
圖4 光敏三極管內(nèi)部分布電容
用2只光電耦合器T1，T2接成互補(bǔ)推挽式電路，可以提高光耦的開關(guān)速度，如圖5所示。當(dāng)脈沖上升為“1”電平時，T1截止，T2導(dǎo)通。相反，當(dāng)脈沖為“0”電平時，T1導(dǎo)通，T2截止。這種互補(bǔ)推挽式電路的頻率特性大大優(yōu)于單個光電耦合器的頻率特性。
圖5 2只光電耦合器構(gòu)成的推挽式電路
此外，在光敏三極管的光敏基極上增加正反饋電路，這樣可以大大提高光電耦合器的開關(guān)速度。如圖6所示電路，通過增加一個晶體管，四個電阻和一個電容，實驗證明，這個電路可以將光耦的最大數(shù)據(jù)傳輸速率提高10倍左右。
圖6 通過增加光敏基極正反饋來提高光耦的開關(guān)速度
3 光耦的功率接口設(shè)計
微機(jī)測控系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到功率接口電路，以便于驅(qū)動各種類型的負(fù)載，如直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、各種電磁閥等。這種接口電路一般具有帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出電流大、工作電壓高的特點。工程實踐表明，提高功率接口的抗干擾能力，是保證工業(yè)自動化裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵。
就抗干擾設(shè)計而言，很多場合下，我們既能采用光電耦合器隔離驅(qū)動，也能采用繼電器隔離驅(qū)動。一般情況下，對于那些響應(yīng)速度要求不很高的啟停操作，我們采用繼電器隔離來設(shè)計功率接口；對于響應(yīng)時間要求很快的控制系統(tǒng)，我們采用光電耦合器進(jìn)行功率接口電路設(shè)計。這是因為繼電器的響應(yīng)延遲時間需幾十ms，而光電耦合器的延遲時間通常都在10us之內(nèi)，同時采用新型、集成度高、使用方便的光電耦合器進(jìn)行功率驅(qū)動接口電路設(shè)計，可以達(dá)到簡化電路設(shè)計，降低散熱的目的。
圖7是采用光電耦合器隔離驅(qū)動直流負(fù)載的典型電路。因為普通光電耦合器的電流傳輸比CRT非常小，所以一般要用三極管對輸出電流進(jìn)行放大，也可以直接采用達(dá)林頓型光電耦合器(見圖8)來代替普通光耦T1。例如東芝公司的4N30。對于輸出功率要求更高的場合，可以選用達(dá)林頓晶體管來替代普通三極管，例如ULN2800高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，它的輸出電流和輸出電壓分別達(dá)到500mA和50V。
圖7 光電隔離，加三極管放大驅(qū)動
圖8 達(dá)林頓型光電耦合器
對于交流負(fù)載，可以采用光電可控硅驅(qū)動器進(jìn)行隔離驅(qū)動設(shè)計，例如TLP541G，4N39。光電可控硅驅(qū)動器，特點是耐壓高，驅(qū)動電流不大，當(dāng)交流負(fù)載電流較小時，可以直接用它來驅(qū)動，如圖9所示。當(dāng)負(fù)載電流較大時，可以外接功率雙向可控硅，如圖10所示。其中，R1為限流電阻，用于限制光電可控硅的電流；R2為耦合電阻，其上的分壓用于觸發(fā)功率雙向可控硅。
圖9 小功率交流負(fù)載
圖10 大功率交流負(fù)載
當(dāng)需要對輸出功率進(jìn)行控制時，可以采用光電雙向可控硅驅(qū)動器，例如MOC3010。圖11為交流可控驅(qū)動電路，來自微機(jī)的控制信號經(jīng)過光電雙向可控硅驅(qū)動器T1隔離，控制雙向可控硅T2的導(dǎo)通，實現(xiàn)交流負(fù)載的功率控制。
圖11 交流可控電路
圖12為交流電源輸出直流可控電路。來自微機(jī)的控制信號經(jīng)過光電雙向可控硅驅(qū)動器隔離，控制可控硅橋式整流電路導(dǎo)通，實現(xiàn)交流一直流的功率控制。此電路已經(jīng)應(yīng)用在我們實驗室研制的新型電機(jī)控制設(shè)備中，效果良好。
圖12 交-直流可控
4 結(jié)束語
本文從光電耦合器的基本結(jié)構(gòu)、性能特點出發(fā)，針對實際應(yīng)用中可能遇到的非線性、響應(yīng)速度、功率接口設(shè)計三個方面，提出了相應(yīng)的幾種電路設(shè)計方案，并介紹了各種不同類型的光電耦合器及其應(yīng)用實例
