【E課堂】半導(dǎo)體“電—光—電”轉(zhuǎn)換器件，光電耦合器簡介

　　光電耦合器(簡稱光耦)是一種以光作為媒介、把輸入端的電信號(hào)耦合到輸出端去的新型半導(dǎo)體“電—光—電”轉(zhuǎn)換器件。換句話講，它具有把電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)變化規(guī)律的光學(xué)信號(hào)、然后又重新轉(zhuǎn)換成為變化規(guī)律相同的電信號(hào)的單向傳輸功能，并且能夠有效地隔離噪聲和抑制干擾，實(shí)現(xiàn)輸入與輸出之間的電絕緣。這種信號(hào)傳遞方式是所有采用變壓器和電磁繼電器作隔離來進(jìn)行信號(hào)傳遞的一般解決方案所不能相比的。

　　圖1 光電耦合器構(gòu)成圖

　　光電耦合器的優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號(hào)、輸入端與輸出端在電氣上完全隔離、輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定、無觸點(diǎn)、體積小、使用壽命長、傳輸效率高等，因而在隔離電路、開關(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯電路、過流保護(hù)、長線傳輸、高壓控制及電平匹配等電路中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前，光電耦合器已發(fā)展成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。

　　1. 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

　　光電耦合器由組裝在同一密閉殼體內(nèi)的半導(dǎo)體發(fā)光源和光接收器兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。發(fā)光源多為發(fā)光二極管，光接收器可以是光敏晶體管，也可以是光敏場效應(yīng)管、光敏晶閘管和光敏集成電路等。發(fā)光源和光接收器彼此相對(duì)并用透明絕緣材料隔離，發(fā)光源引出的管腳為輸入端，光接收器引出的管腳為輸出端。當(dāng)按照?qǐng)D1(b)所示，在輸入端加上電信號(hào)時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光，與之相對(duì)應(yīng)的光接收器由于光敏效應(yīng)而產(chǎn)生光電流，并由輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了以“光” 為媒介的電信號(hào)單向傳輸，而器件的輸入和輸出兩端在電氣上是完全保持絕緣的。

　　光電耦合器的主要特點(diǎn)是：輸入和輸出端之間絕緣，其絕緣電阻一般都大于1010Ω，耐壓一般可超過1.5kV，有的甚至可以達(dá)到10kV以上;由于“光” 傳輸?shù)膯蜗蛐?，所以信?hào)從光源傳輸?shù)焦饨邮掌鲿r(shí)不會(huì)出現(xiàn)反饋現(xiàn)象，其輸出信號(hào)也不會(huì)影響輸入端。此外，光電耦合器能夠很好地抑制干擾并消除噪聲，其響應(yīng)速度快(時(shí)間常數(shù)通常在微秒甚至毫微秒級(jí))、無觸點(diǎn)、壽命長、體積小、耐沖擊、容易和邏輯電路配合，這使得它的應(yīng)用很廣泛。例如，在計(jì)算機(jī)數(shù)位通信及即時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加其工作之可靠性;在單片開關(guān)電源中，利用線性光電耦合器可構(gòu)成光耦回饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓的目的。

　　2. 外形和種類

　　光電耦合器的封裝形式可分為同軸型、雙列直插型、TO封裝型、扁平封裝型、貼片封裝型、光纖傳輸型等。但電子愛好者在制作或維修時(shí)經(jīng)常用到的封裝形式幾乎全部都是塑料雙列直插型、扁平封裝型和貼片封裝型3大類，引腳有4、6、8、12、16、24腳等多種，圖2所示是它們的實(shí)物外形圖。

　　圖2 光電耦合器實(shí)物外形圖

　　光電耦合器的種類較多，如果按照輸出形式不同來劃分，主要有光敏二極管型、通用型(即光敏三極管型，又分無基極引線和有基極引線兩種)、達(dá)林頓(復(fù)合三極管)型、雙向?qū)ΨQ型、高速型、光敏電阻型、光電池型、光敏場效應(yīng)管型、光敏晶閘管型(又分單向晶閘管和雙向晶閘管兩種)、光集成電路型等。

　　光電耦合器按傳輸信號(hào)不同，可分為非線性(數(shù)字型)光電耦合器和線性(模擬型)光電耦合器兩大類。按傳輸信號(hào)的速度不同，可分為低速光電耦合器(光敏三極管、光電池等輸出型)和高速光電耦合器(光敏二極管帶信號(hào)處理電路或者光敏集成電路輸出型)。按隔離特性不同，可分為普通隔離光電耦合器(一般光學(xué)絕緣膠灌封低于5kV、空氣封低于2kV)和高壓隔離光電耦合器(可分為10kV、20kV、30kV等)。按傳輸信號(hào)通道數(shù)不同，可分為單通道、雙通道和多通道光電耦合器。

　　3. 主要參數(shù)

　　光電耦合器的輸入特性就是內(nèi)部發(fā)光器(多為發(fā)光二極管)的特性，輸出特性取決于內(nèi)部光接收器。除此之外，還有表征整體性能的電流傳輸比CTR、輸入與輸出之間的絕緣電阻RISO等參數(shù)。在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，還有脈沖上升時(shí)間、下降時(shí)間、延遲時(shí)間等參數(shù);在傳輸交流信號(hào)時(shí)，還必須考慮頻率特性等參數(shù)。

　　圖3 光電耦合器引腳排序規(guī)則

　　4. 型號(hào)與引腳的識(shí)別

　　電子愛好者經(jīng)常碰到的光電耦合器盡管外形基本上都是雙列4腳、6腳、8腳……塑料封裝，但由于型號(hào)的命名各廠家不統(tǒng)一，可謂五花八門，無規(guī)律可循，而且從型號(hào)上面一般是看不出有關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和具體參數(shù)等信息的。要想知道某一型號(hào)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和有關(guān)參數(shù)等，就只能查看廠家說明書或相關(guān)的參數(shù)手冊(cè)。表1列出了部分常用6引腳塑料雙列直插型光電耦合器的型號(hào)和主要參數(shù)，供參考。

　　常用光電耦合器的引腳排序規(guī)則如圖3所示。這跟普通集成電路完全相同，即：將產(chǎn)品的引腳面朝向雜志，從頂面(有字面)的半圓凹槽、小圓凹口(色點(diǎn))或斜邊標(biāo)記處的引腳開始，按逆時(shí)針(即圖中箭頭)方向計(jì)數(shù)，依次為1、2、3、4腳……如果翻轉(zhuǎn)過來從背面看(比如在印制電路板的焊接面上看)，即引腳面正對(duì)著自己、有字面朝向雜志，則應(yīng)按順時(shí)針方向計(jì)數(shù)。表2給出了筆者歸納整理出的不同型號(hào)光電耦合器的引腳排列圖，希望能夠給讀者的應(yīng)用提供簡便快捷的幫助。