光耦合器的技术特性.doc

光耦合器技术特征与应用

MOC3031M MOC3032M MOC3033M MOC3041M MOC3042M MOC3043M
高耐压、 过零检测可控硅触发 光电耦合器.
MOC3010 MOC3011 MOC3012 MOC3020 MOC3021 MOC3022 MOC3023
高耐压、 非过零检测可控硅触发光电耦合器 (Non-Zero-Crossing TRIAC Output)

1.概述
　　光耦合器（optical coupler, 英文缩写为OC）亦称光电隔离器, 简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、 输出电信号有良好隔离作用, 所以, 它在多种电路中得到广泛应用。现在它已成为种类最多、 用途最广光电器件之一。光耦合器通常由三部分组成: 光发射、 光接收及信号放大。输入电信号驱动发光二极管（LED）, 使之发出一定波长光, 被光探测器接收而产生光电流, 再经过深入放大后输出。这就完成了电—光—电转换, 从而起到输入、 输出、 隔离作用。因为光耦合器输入输出间相互隔离, 电信号传输含有单向性等特点, 所以含有良好电绝缘能力和抗干扰能力。又因为光耦合器输入端属于电流型工作低阻元件, 所以含有很强共模抑制能力。所以, 它在长线传输信息中作为终端隔离元件能够大大提升信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离接口器件, 能够大大增加计算机工作可靠性。

　　光耦合器关键优点是: 信号单向传输, 输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离, 输出信号对输入端无影响, 抗干扰能力强, 工作稳定, 无触点, 使用寿命长, 传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件, 现已广泛用于电气绝缘、 电平转换、 级间耦合、 驱动电路、 开关电路、 斩波器、 多谐振荡器、 信号隔离、 级间隔离、 脉冲放大电路、 数字仪表、 远距离信号传输、 脉冲放大、 固态继电器(SSR)、 仪器仪表、 通信设备及微机接口中。在单片开关电源中, 利用线性光耦合器可组成光耦反馈电路, 经过调整控制端电流来改变占空比, 达成精密稳压目。

　　十几年来, 新型光耦合器不停涌现, 满足了多种光控制要求。其应用范围已扩展到计测仪器, 精密仪器, 工业用电子仪器, 计算机及其外部设备、 通信机、 信号机和道路情报系统, 电力机械等领域。这里侧重介绍该器件工作特征, 驱动和输出电路及部分实际应用电路。多年来问世线性光耦合器能够传输连续改变模拟电压或模拟电流信号, 使其应用领域大为拓宽。下面分别介绍光耦合器工作原理及检测方法。

2. 光耦合器性能及类型
　　用于传输模拟信号光耦合器发光器件为二极管、 光接收器为光敏三极管。当有电流经过发光二极管时, 便形成一个光源, 该光源照射到光敏三极管表面上, 使光敏三极管产生集电极电流, 该电流大小与光照强弱, 亦即流过二极管正向电流大小成正比。因为光耦合器输入端和输出端之间经过光信号来传输, 所以两部分之间在电气上完全隔离, 没有电信号反馈和干扰, 故性能稳定, 抗干扰能力强。发光管和光敏管之间耦合电容小（2pf左右）、 耐压高(2.5KV左右), 故共模抑制比很高。输入和输出间电隔离度取决于两部分供电电源间绝缘电阻。另外, 因其输入电阻小（约10Ω）, 对高内阻源噪声相当于被短接。所以, 由光耦合器组成模拟信号隔离电路含有优良电气性能。

　　实际上, 光耦合器是一个由光电流控制电流转移器件, 其输出特征与一般双极型晶体管输出特征相同, 所以能够将其作为一般放大器直接组成模拟放大电路, 而且输入与输出间可实现电隔离。然而, 这类放大电路工作稳定性较差, 无实用价值。究其原因关键有两点: 一是光耦合器线性工作范围较窄, 且随温度改变而改变; 二是光耦合器共发射极电流传输系数β和集电极反向饱和电流ICBO(即暗电流)受温度改变影响显著。所以, 在实际应用中, 除应选择线性范围宽、 线性度高光耦合器来实现模拟信号隔离外, 还必需在电路上采取有效方法, 尽可能消除温度改变对放大电路工作状态影响。

　　从光耦合器转移特征与温度关系能够看出, 若使光耦合器组成模拟隔离电路稳定实用, 则应尽可能消除暗电流（ICBO）影响, 以提升线性度, 做到静态工作点IFQ随温度改变而自动调整, 以使输出信号保持对称性, 使输入信号动态范围随温度改变而自动改变, 以抵消β值随温度改变影响, 确保电路工作状态稳定性。

2.1光耦合器类型
　　光耦合器有管式、 双列直插式和光导纤维式等封培育形式, 其种类达数十种。光耦合器种类达数十种, 关键有通用型（又分无基极引线和基极引线两种）、 达林顿型、 施密特型、 高速型、 光集成电路、 光纤维、 光敏晶闸管型（又分单向晶闸管、 双向晶闸管）、 光敏场效应管型。另外还有双通道式（内部有两套对管）、 高增益型、 交-直流输入型等等。国外生产厂家有英国ISOCOM企业等, 中国厂家苏州半导体总厂等。

2.2线性光耦合器产品分类
　　线性光耦合器经典产品及关键参数见表1, 这些光耦均以光敏三极管作为接收管。

表1经典线性光耦合器关键参数

产品型号 CTR/% V（BR）CE0/V 生产厂 封装型式
PC816A 80～160 70 Sharp DZP-4基极未引出
PC817A 80～160 35 Sharp
SFH610A-2 63～125 70 simens
NEC2501-H 80～160 40 NEC
CNY17-2 63～125 70 Motoroln DZP-4基极未引出
CNY17-3 100～200 70 simens
SFH600-1 63～125 70 simens
SFH600-2 100～200 70 simens
CNY75GA 63～125 90 Temic DZP-4基极未引出
CNY75GB 100～200 90 Temic
MOC8101 50～80 30 Motoroln
MOC8102 73～117 30 Motoroln

3.光耦合器技术参数
　　光耦合器技术参数关键有发光二极管正向压降VF、 正向电流IF、 电流传输比CTR、 输入级与输出级之间绝缘电阻、 集电极-发射极反向击穿电压V(BR)CEO、 集电极-发射极饱和压降VCE(sat)。另外, 在传输数字信号时还需考虑上升时间、 下降时间、 延迟时间和存放时间等参数。

　　最关键参数是电流放大系数传输比CTR（Curremt-Trrasfer Ratio）。通常见直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时, 它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF百分比。当接收管电流放大系数HFE为常数时, 它等于输出电流IC之比, 通常见百分数来表示。有公式:
CTR=IC/ IF×100% 。采取一只光敏三极管光耦合器, CTR范围大多为20%～30%（如4N35）, 而PC817则为80%～160%, 达林顿型光耦合器（如4N30）可达100%～500%。这表明欲取得一样输出电流, 后者只需较小输入电流。所以, CTR参数与晶体管hFE有某种相同之处。一般光耦合器CTR-IF特征曲线呈非线性, 在IF较小时非线性失真尤为严重, 所以它不适合传输模拟信号。线性光耦合器CTR-IF特征曲线含有良好线性度, 尤其是在传输小信号时, 其交流电流传输比(ΔCTR＝ΔIC/ΔIF)很靠近于直流电流传输比CTR值。所以, 它适合传输模拟电压或电流信号, 能使输出与输入之间呈线性关系。这是其关键特征。在设计光耦反馈式开关电源时必需正确选择线性光耦合器型号及参数, 选择标准以下:

（1）光耦合器电流传输比(CTR)许可范围是50%～200%。这是因为当CTR＜50%时, 光耦中LED就需要较大工作电流(IF＞5.0mA), 才能正常控制单片开关电源IC占空比, 这会增大光耦功耗。若CTR＞200%, 在开启电路或者当负载发生突变时, 有可能将单片开关电源误触发, 影响正常输出。

（2）推荐采取线性光耦合器, 其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。

（3）由英国埃索柯姆(Isocom)企业、 美国摩托罗拉企业生产4N××系列(如4N25、 4N26、 4N35)光耦合器, 现在在中国应用地十分普遍。鉴于这类光耦合器展现开关特征, 其线性度差, 适宜传输数字信号(高、 低电平), 所以不推荐用在开关电源中。

4.通用型与达林顿型光耦合器区分
4.1方法之一
　　在通用型光耦合器中, 接收器是一只硅光电半导体管, 所以在B-E之间只有一个硅PN结。达林顿型不然, 它由复合管组成, 两个硅PN结串联成复合管发射结。依据上述差异, 很轻易将通用型与达林顿型光耦合器区分开来。具体方法是, 将万用表拨至R×100档, 黑表笔接B极, 红表笔接E极, 采取读取电压法求出发射结正向电压VBE。若VBE=0.55～0.7V, 就是达林顿型光耦合器。

实例: 用500型万用表R×100档分别测量4N35、 4N30型光耦合器VBE, 测量数据及结论一并列入表2中。

　　　　　　　　　　　　　　　　　 表2测试结果
型号 RBE（Ω） n`（格） VBE（V） 计算公式 测试结论
4N35 850 23 0.69 VBE=0.03n（V） 通用型
4N30 4.3k 40.5 1.215 VBE=0.03n`（V） 达林顿型

4.2方法之二
　　通用型与达林顿型光电耦合关键区分是接收管电流放大系数不一样。前者hFE为几十倍至几百倍, 后者可达数千倍, 二者相差1～2个数量级。所以, 只要正确测量出hFE值, 即可区分。在测量时应注意事项:

（1）因为达林顿型光耦合器hFE值很高, 所以表针两次偏转格数非常靠近。正确读出n1、 n2格数是本方法关键所在, 不然将引发较大误差。另外, 欧姆零点亦应事先调准。
（2）若4N30中发射管损坏, 但接收管未发觉故障, 则可替换超β管使用。同理, 倘若4N35中接收管完好无损, 也可作一般硅NPN晶体管使用, 实现废物利用。
（3）对于无基极引线通用型及达林顿型光耦合器, 本方法不再适用。提议采取测电流传输比CTR方法加以区分。