光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。是一種把發光元件和光敏元件封裝在同一殼體內，中間通過電→光→電的轉換來傳輸電信號的半導體光電子器件。用于傳遞模擬信號的光耦合器的發光器件為二極管、光接收器為光敏三極管。當有電流通過發光二極管時，便形成一個光源，該光源照射到光敏三極管表面上，使光敏三極管產生集電極電流，該電流的大小與光照的強弱，亦即流過二極管的正向電流的大小成正比。由于光耦合器的輸入端和輸出端之間通過光信號來傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒有電信號的反饋和干擾，故性能穩定，抗干擾能力強。發光管和光敏管之間的耦合電容小（2pf左右）、耐壓高（2.5KV左右），故共模抑制比很高。輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供電電源間的絕緣電阻。此外，因其輸入電阻小（約10Ω），對高內阻源的噪聲相當于被短接。因此，由光耦合器構成的模擬信號隔離電路具有優良的電氣性能。

　　光耦的技術參數：

　　輸入特性

　　光耦合器的輸入特性實際也就是其內部發光二極管的特性。常見的參數有：

　　1. 正向工作電壓Vf（Forward Voltage）

　　Vf是指在給定的工作電流下，LED本身的壓降。常見的小功率LED通常以If=20mA來測試正向工作電壓，當然不同的LED，測試條件和測試結果也會不一樣。

　　2. 反向電壓Vr（Reverse Voltage ）

　　是指LED所能承受的最大反向電壓，超過此反向電壓，可能會損壞LED.在使用交流脈沖驅動LED時，要特別注意不要超過反向電壓。

　　3. 反向電流Ir（Reverse Current）

　　通常指在最大反向電壓情況下，流過LED的反向電流。

　　4. 允許功耗Pd（Maximum Power Dissipation）

　　LED所能承受的最大功耗值。超過此功耗，可能會損壞LED.

　　5. 中心波長λp（Peak Wave Length）

　　是指LED所發出光的中心波長值。波長直接決定光的顏色，對于雙色或多色LED，會有幾個不同的中心波長值。

　　6. 正向工作電流If（Forward Current）

　　If是指LED正常發光時所流過的正向電流值。不同的LED，其允許流過的最大電流也會不一樣。

　　7. 正向脈沖工作電流Ifp（Peak Forward Current）

　　Ifp是指流過LED的正向脈沖電流值。為保證壽命，通常會采用脈沖形式來驅動LED，通常LED規格書中給中的Ifp是以0.1ms脈沖寬度，占空比為1/10的脈沖電流來計算的。

　　輸出特性

　　光耦合器的輸出特性實際也就是其內部光敏三極管的特性，與普通的三極管類似。常見的參數有：

　　1. 集電極電流Ic（Collector Current）

　　光敏三極管集電極所流過的電流，通常表示其最大值。

　　2. 集電極-發射極電壓Vceo（C-E Voltage）

　　集電極-發射極所能承受的電壓。

　　3. 發射極-集電極電壓Veco（E-C Voltage）

　　發射極-集電極所能承受的電壓

　　4. 反向截止電流Iceo

　　5. C-E飽和電壓Vce（sat）（C-E Saturation Voltage）

　　隔離特性

　　1.入出間隔離電壓Vio（Isolation Voltage）

　　光耦合器輸入端和輸出端之間絕緣耐壓值。

　　2.入出間隔離電容Cio（Isolation Capacitance）：

　　光耦合器件輸入端和輸出端之間的電容值

　　3.入出間隔離電阻Rio：（Isolation Resistance）

　　半導體光耦合器輸入端和輸出端之間的絕緣電阻值。

　　傳輸特性：

　　1.電流傳輸比CTR（Current Transfer Radio）

　　2.上升時間Tr （Rise Time）& 下降時間Tf（Fall Time）

　　其它參數諸如工作溫度、耗散功率等不再一一敷述。

　　光耦合器的技術參數主要有發光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極-發射極反向擊穿電壓V（BR）CEO、集電極-發射極飽和壓降VCE（sat）。此外，在傳輸數字信號時還需考慮上升時間、下降時間、延遲時間和存儲時間等參數。

　　電流傳輸比是光耦合器的重要參數，通常用直流電流傳輸比來表示。當輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。

　　使用光電耦合器主要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離，在設計電路時，必須遵循下列原則：所選用的光電耦合器件必須符合國內和國際的有關隔離擊穿電壓的標準；由英國埃索柯姆（Isocom）公司、美國FAIRCHILD生產的4N××系列（如4N25、4N26、4N35）光耦合器，在國內應用地十分普遍。可以用于單片機的輸出隔離；所選用的光耦器件必須具有較高的耦合系數。

　　以下為光電耦合器的常用參數：

　　反向電流IR：在被測管兩端加規定反向工作電壓VR時，二極管中流過的電流。

　　反向擊穿電壓VBR：被測管通過的反向電流IR為規定值時，在兩極間所產生的電壓降。

　　正向壓降VF：二極管通過的正向電流為規定值時，正負極之間所產生的電壓降。

　　正向電流IF：在被測管兩端加一定的正向電壓時二極管中流過的電流。結電容CJ：在規定偏壓下，被測管兩端的電容值。

　　反向擊穿電壓V（BR）CEO：發光二極管開路，集電極電流IC為規定值，集電極與發射集間的電壓降。

　　輸出飽和壓降VCE（sat）：發光二極管工作電流IF和集電極電流IC為規定值時，并保持IC/IF≤CTRmin時（CTRmin在被測管技術條件中規定）集電極與發射極之間的電壓降。

　　反向截止電流ICEO：發光二極管開路，集電極至發射極間的電壓為規定值時，流過集電極的電流為反向截止電流。

　　電流傳輸比CTR［2］：輸出管的工作電壓為規定值時，輸出電流和發光二極管正向電流之比為電流傳輸比CTR.

　　脈沖上升時間tr，下降時間tf：光耦合器在規定工作條件下，發光二極管輸入規定電流IFP的脈沖波，輸出端管則輸出相應的脈沖波，從輸出脈沖前沿幅度的10%到90%，所需時間為脈沖上升時間tr.從輸出脈沖后沿幅度的90%到10%，所需時間為脈沖下降時間tf.

　　傳輸延遲時間tPHL，tPLH：從輸入脈沖前沿幅度的50%到輸出脈沖電平下降到1.5V時所需時間為傳輸延遲時間tPHL.從輸入脈沖后沿幅度的50%到輸出脈沖電平上升到1.5V時所需時間為傳輸延遲時間tPLH.

　　入出間隔離電容CIO：光耦合器件輸入端和輸出端之間的電容值。

　　入出間隔離電阻RIO：半導體光耦合器輸入端和輸出端之間的絕緣電阻值。

　　入出間隔離電壓VIO：光耦合器輸入端和輸出端之間絕緣耐壓值。

　　以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優點，在數字電路上獲得廣泛的應用。

　　關于光耦的使用：

　　1、光耦合器的電流傳輸比（CTR）的允許范圍是50%～200%。這是因為當CTR《50%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流（IF》5.0mA），才能正常控制單片開關電源IC的占空比，這會增大光耦的功耗。若CTR》200%，在啟動電路或者當負載發生突變時，有可能將單片開關電源誤觸發，影響正常輸出。

　　2、若用放大器電路去驅動光電耦合器，必須精心設計，保證它能夠補償耦合器的溫度不穩定性和漂移。

　　3、推薦采用線性光耦合器，其特點是CTR值能夠在一定范圍內做線性調整。上述使用的光電耦合器時工作在線性方式下，在光電耦合器的輸入端加控制電壓，在輸出端會成比例地產生一個用于進一步控制下一級電路的電壓，是單片機進行閉環調節控制，對電源輸出起到穩壓的作用。

　　為了徹底阻斷干擾信號進入系統，不僅信號通路要隔離，而且輸入或輸出電路與系統的電源也要隔離，即這些電路分別使用相互獨立的隔離電源。對于共模干擾，采用隔離技術，即利用變壓器或線性光電耦合器，將輸入地與輸出地斷開，使干擾沒有回路而被抑制。在開關電源中，光電耦合器是一個是非常重要的外圍器件，設計者可以充分的利用它的輸入輸出隔離作用對單片機進行抗干擾設計，并對變換器進行閉環穩壓調節。

　　光耦的應用技巧：

　　光電耦合器可根據不同要求，由不同種類的發光元件和光敏元件組合成許多系列的光電耦合器。目前應用最廣的是發光二極管和光敏三極管組合成的光電耦合器，其內部結構如圖1a所示。

　　光耦以光信號為媒介來實現電信號的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強的特點。對于既包括弱電控制部分，又包括強電控制部分的工業應用測控系統，采用光耦隔離可以很好地實現弱電和強電的隔離，達到抗干擾目的。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 光耦隔離傳輸數字量時，要考慮光耦的響應速度問題；

　　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光二極管，因此，它的輸入特性可用發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域，直接用來傳輸模擬量時精度較差。

　　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，可以很好的補償他們原來的非線性。

　　另一種模擬量傳輸的解決方法，就是采用VFC（電壓頻率轉換）方式，如圖3所示。現場變送器輸出模擬量信號（假設電壓信號），電壓頻率轉換器將變送器送來的電壓信號轉換成脈沖序列，通過光耦隔離后送出。在主機側，通過一個頻率電壓轉換電路將脈沖序列還原成模擬信號。此時，相當于光耦隔離的是數字量，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。

　　當然，也可以選擇線性光耦進行設計，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

　　當采用光耦隔離數字信號進行控制系統設計時，光電耦合器的傳輸特性，即傳輸速度，往往成為系統最大數據傳輸速率的決定因素。在許多總線式結構的工業測控系統中，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，導致設計成本提高。這里介紹兩種方法來提高普通光耦的開關速度。

　　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，負載電阻又不宜過大，負載電阻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。

　　用2只光電耦合器T1，T2接成互補推挽式電路，可以提高光耦的開關速度，如圖5所示。當脈沖上升為“1”電平時，T1截止，T2導通。相反，當脈沖為“0”電平時，T1導通，T2截止。這種互補推挽式電路的頻率特性大大優于單個光電耦合器的頻率特性。

　　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據傳輸速率提高10倍左右。

　　3 光耦的功率接口設計

　　微機測控系統中，經常要用到功率接口電路，以便于驅動各種類型的負載，如直流伺服電機、步進電機、各種電磁閥等。這種接口電路一般具有帶負載能力強、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，是保證工業自動化裝置正常運行的關鍵。

　　就抗干擾設計而言，很多場合下，我們既能采用光電耦合器隔離驅動，也能采用繼電器隔離驅動。一般情況下，對于那些響應速度要求不很高的啟停操作，我們采用繼電器隔離來設計功率接口；對于響應時間要求很快的控制系統，我們采用光電耦合器進行功率接口電路設計。這是因為繼電器的響應延遲時間需幾十ms，而光電耦合器的延遲時間通常都在10us之內，同時采用新型、集成度高、使用方便的光電耦合器進行功率驅動接口電路設計，可以達到簡化電路設計，降低散熱的目的。

　　圖7是采用光電耦合器隔離驅動直流負載的典型電路。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行放大，也可以直接采用達林頓型光電耦合器（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，可以選用達林頓晶體管來替代普通三極管，例如ULN2800高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品，它的輸出電流和輸出電壓分別達到500mA和50V。

　　對于交流負載，可以采用光電可控硅驅動器進行隔離驅動設計，例如TLP541G，4N39。光電可控硅驅動器，特點是耐壓高，驅動電流不大，當交流負載電流較小時，可以直接用它來驅動，如圖9所示。當負載電流較大時，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功率雙向可控硅。

　　當需要對輸出功率進行控制時，可以采用光電雙向可控硅驅動器，例如MOC3010。圖11為交流可控驅動電路，來自微機的控制信號 經過光電雙向可控硅驅動器T1隔離，控制雙向可控硅T2的導通，實現交流負載的功率控制。

　　圖12為交流電源輸出直流可控電路。來自微機的控制信號 經過光電雙向可控硅驅動器隔離，控制可控硅橋式整流電路導通，實現交流一直流的功率控制。此電路已經應用在我們實驗室研制的新型電機控制設備中，效果良好。

　　光耦的應用：

　　由于光耦種類繁多，結構獨特，優點突出，因而其應用十分廣泛，主要應用以下場合：

　　⑴ 在邏輯電路上的應用

　　⑵ 作為固體開關應用

　　⑶ 在觸發電路上的應用

　　⑷ 在脈沖放大電路中的應用光電耦合器應用于數字電路，可以將脈沖信號進行放大。

　　⑸ 在線性電路上的應用

　　⑹ 特殊場合的應用。

　　線性光耦合器的選取原則

　　在設計光耦反饋式開關電源時必須正確選擇線性光耦合器的型號及參數，選取原則如下：

　　①光耦合器的電流傳輸比（CTR）的允許范圍是50%～200%。這是因為當CTR《50%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流

　　②推薦采用線性光耦合器，其特點是CTR值能夠在一定范圍內做線性調整。

　　③由英國埃索柯姆（Isocom）公司、美國摩托羅拉公司生產的4N××系列（如4N25 、4N26、4N35）光耦合器，在國內應用地十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現開關特性，其線性度差，適宜傳輸數字信號（高、低電平），因此不推薦用在開關電源中。