光耦合器在通信中的應用探討

【摘 要】本文論述光耦合器在通信傳輸中作為電氣隔離方法的意義與可行性，提出舉例說明和目的目標。

【關鍵詞】光耦合器；通信；電氣隔離；意義；可行性；舉例；目標

0.引言

如今的世界里通信傳輸已廣泛存在于我們的日常生活中，被傳輸的數據也已經成為了生產生活中重要的生產資料。同時作為傳輸終端的通信機或通信模塊經常會面臨來自通信線路本身可能引來的大電流（電涌、雷擊）損害，這時就需要找到一種有效、可靠、低成本的電氣隔離方法。

光耦合器亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發光器（發光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發光器發出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現了“電—光—電”轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，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。[1]

1.光電耦合機制介紹

1.1光電耦合原理

光耦合器一般由三部分組成：（1）光的發射、（2）光的接收及（3）信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（LED）發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性的特點，因此具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大提高計算機工作的可靠性。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。

1.2光電耦合種類

光電耦合可分為兩種：一種是非線性光耦，另一種是非線性光耦。非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關信號的傳輸，不適合模擬量的傳輸，所以本文主要介紹的就是非線性光耦。

光耦合還有如下幾種分類：

（1）按光路徑分，可分為外光路光電耦合和內光路光電耦合。其中外光路光電耦合又可分為透過型光電耦合和反射型光電耦合。

（2）按輸出形式分，光敏器件輸出型、NPN三極管輸出型、達林頓三極管輸出型、邏輯門電路輸出型、低導通輸出型、光開關輸出型、功率輸出型。

（3）按傳輸信號分，可分為數字型光電耦合和模擬輸出光電耦合。

（4）按速度分，可分為低速光電耦合和高速光電耦合。

（5）按通道分，可分為單通道、雙通道和多通道光電耦合。

（6）按隔離特性分，可分為普通隔離光電耦合和高壓隔離光電耦合。

（7）按工作電壓分，可分為低電源電壓型光電耦合和高電源電壓光電耦合。

1.3光電耦合結構特點

（1）輸入和輸出端之間絕緣，其絕緣電阻一般都大于10000MΩ，耐壓一般可超過1kV，有的甚至可以達到10kV以上。

（2）光接收器只能接受光源的信息，反之不能，所以信號從光源單向傳輸到光接收器時不會出現反饋現象，其輸出信號也不會影響輸入端。

（3）發光器件是阻抗電流驅動性器件，而噪音是一種高內阻微電流電壓信號。因此光電耦合器的共模抑制比很大，所以，光電耦合可以很好地抑制干擾并消除噪音。

（4）容易和邏輯電路配合。

（5）響應速度快。光電耦合的時間常數通常在毫秒甚至微秒級。

（6）無觸點、壽命長、體積小、耐沖擊。

1.4光電耦合的技術特性指標

輸入輸出極限特性：

（1）VR LED發光二極管最大反向電壓 單位：v（伏特）。

（2）IF LED發光二極管最大正向電流 單位：mA（毫安）。

（3）PD LED發光二極管最大功耗 單位：mW（毫瓦）。

（4）VCEO三極管集電極發射極最大電壓 單位：v（伏特）。

（5）VECO三極管發射極集電極最大電壓 單位：v（伏特）。

（6）VCBO三極管集電極基極最大電壓 單位：v（伏特）。

（7）IC三極管集電極最大持續電流 單位：mA（毫安）。

（8）PD三極管最大功耗 單位：mW（毫瓦）。

（9）VISO光耦合最大交流隔離電壓 單位：v（伏特）。

（10）TA工作允許環境溫度 單位：℃（攝氏度）。

工作時電氣特性：

（1）Vf LED發光二極管正向工作電壓 單位：v（伏特）。

（2）Ir LED發光二極管反向擊穿電流 單位：mA（毫安）。

（3）hFE三極管之流電流增益 單位：倍。

（4）Ic三極管集電極電流 單位：mA（毫安）。

（5）VCE三極管集電極基極飽和電壓 單位：v（伏特）。

（6）ton脈沖接通時間 單位：μs（微秒）。

（7）toff 脈沖關閉時間 單位：μs（微秒）。

（8）tr 脈沖上升時間 單位：μs（微秒）。

（9）tf 脈沖下降時間 單位：μs（微秒）。

2.光電耦器件舉例說明

2.1 4n25光電耦合器的實際應用

本文將以4n25型光電耦合器為例來說明實際應用，4n25是一種常用的光電耦合器，主要性能參數見motorala 4n25 datasheet[2]。最大反向電壓達到3伏特，最大隔離電壓達到7500伏特，在二極管正向電流10mA、三極管輸出上拉電壓10v、上拉電阻100歐姆的情況下脈沖開啟、關閉時間分別是2.8微秒和4.5微秒，脈沖上升、下降時間分別是1.2微秒和1.3微秒。

接下來以50%占空比的二進制9600波特率速度的信號脈沖來計算，一個這樣的脈沖信號其脈寬長度t更具公式t=1/（波特率x2）可知道脈寬t大約為50微秒。那么4n25所具備的脈沖開啟時間、關閉時間、上升時間、下降時間足夠應用于一個二進制9600波特率信號的電氣隔離需求。

2.2 4n25光電耦合器的電氣特性圖分析及選型說明

首先來看圖1[2]，圖中的兩幅圖分別是三極管集電極電流與三極管集電極發射極的電壓關系圖和三極管集電極電流受溫度影響的關系圖。從電壓關系圖中可以發現4n25型光電耦合器在二極管輸入電流為10mA時，三極管輸出電流跟隨三極管集電極發射極電壓有良好的線性變化段；從溫度特性圖中同樣可以獲取信息，4n25型光電耦合器在-10℃到45攝氏度間能保持良好的集電極電流穩定性。因此在實際應用選型器件是可以根據器件特性曲線選擇滿足設計應用需要的器件作為光耦合隔離器件。

3.總結

光電耦合憑借自身獨特的結構特點將電氣通過光電轉換來隔離開來，可以有效的成為通信模塊獨有的高效防雷、防電涌手段。在使用光電耦合器作為電隔離的方式時，需要根據實際通信速率和使用環境的要求來對應地選擇符合要求的光電耦合器型號。

【參考文獻】

[1]王慶有.光電技術.電子工業出版社.

[2]MOTOROLA，6-Pin DIP Optoisolators Transistor Output.