針對光偶選型，替代，采購，檢測及實際使用過程中出現的光偶特性變化引起的產品失效問題，提供指導。

光耦屬于易失效器件，選型和使用過程中要特別的小心。

目前發現，因光偶的選型，光偶替代，光偶工作電流，工作溫度設計不當等原因導致產品出現問題，如何減少選型，設計，替代導致的產品問題，這里將制訂出相關指導性規范。

一、原理介紹：

光電偶合器件（簡稱光耦）是把發光器件（如發光二極體）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實現耦合構成電—光和光—電的轉換器件。光電耦合器分為很多種類，圖1所示為常用的三極管型光電耦合器原理圖。

當電信號送入光電耦合器的輸入端時，發光二極體通過電流而發光，光敏元件受到光照后產生電流，CE導通；當輸入端無信號，發光二極體不亮，光敏三極管截止，CE不通。對于數位量，當輸入為低電平“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽和導通，輸出為低電平“ 0”。若基極有引出線則可滿足溫度補償、檢測調制要求。這種光耦合器性能較好，價格便宜，因而應用廣泛。

圖一 最常用的光電耦合器之內部結構圖 三極管接收型 4腳封裝

圖二 光電耦合器之內部結構圖 三極管接收型 6腳封裝

圖三 光電耦合器之內部結構圖 雙發光二極管輸入 三極管接收型 4腳封裝

圖四 光電耦合器之內部結構圖 可控硅接收型 6腳封裝

圖五 光電耦合器之內部結構圖 雙二極管接收型 6腳封裝

光電耦合器之所以在傳輸信號的同時能有效地抑制尖脈沖和各種雜訊干擾，使通道上的信號雜訊比大為提高，主要有以下幾方面的原因：

（1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105～106Ω。據分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極體發光，從而被抑制掉了。

（2）光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產生。

（3）光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當外部設備出現故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞儀表。因為光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。

（4）光電耦合器的回應速度極快，其回應延遲時間只有10μs左右，適于對回應速度要求很高的場合。

內部結構圖及 CTR 的計算方法：

規格定義 CTR：Ice/IF *100%

(檢測條件：I F =5 ma Vce=5V, 2701，2801 系列)

二、 光偶主要特性分析，設計選型替代要求:

1、 外觀尺寸：

設計，選型，替代注意：

? 封裝正確，本體 MARK 字跡要清晰，品牌正確，與技術規格書一致；

? 替代時，如都為標準件封裝，基本上裝配沒有問題，但需注意厚度是否與原料相同，是否滿足整機的工藝要求。

2、 不同輸入控制電流 IF， CTR 值不同：

由圖表顯示，IF 在 5-15ma 時 CTR 值最大；在小于 5mA 時(目前我們產品設計大多如此)，CTR 值一般小于正常額定規格值；

Cosmo KPS2801-B 實測數據：

評注：IF 不同，CTR 不同，且差異非常大；不同 DATECODE 的也有差異，但在 IF=5ma 時，CTR 值都在規格（130-260）范圍內；

設計，選型，替代注意：設計時工作電流應接近來料的檢測電流值（目前大多

IF=5ma）,否則應用的 CTR 值無法保證，產品動態性能將很差；

3、不同環境溫度， CTR 值不同：

由圖表顯示，CTR 值與光偶的工作環境有關，溫度太高或太低都小于常溫附近

的檢測值；

評注：溫度不同，CTR 不同，溫度太高或太低都低于常溫，且差異很大；

? 設計，選型，替代注意：產品在高低溫 CTR 的值是否滿足產品反饋環路的增益？產品動態穩定嗎？開關機，輸出是否產生震蕩掉溝等不良。

4、 光偶有RL 阻值大小及工作頻帶帶寬要求：

由圖表可看出：光偶有頻帶要求，如上圖為 KPS-2801 光偶，工作頻率基本在

500KHZ 以內，且對于高頻工作時，RL（輸出分壓電阻）要小；

設計，選型，替代注意：產品工作頻率，RL 選取阻值務必在帶寬內，且考慮 IF

電流大小，VCE 工作壓降；

5、不同環境溫度，輸入控制電流可能產生變化：

由圖表可看出：環境溫度超過 55-60 度后，輸入控制電流 I F 的最大值將隨著溫度上升而顯著減小；

設計，選型，替代注意：選取合適的 IF 電流，使輸入控制電流的變動都能及時反饋到輸出端，保證產品反饋環的穩定；

6、環境溫度與功耗特性曲線：

由圖表可看出：光偶的輸出部分（或集電極）功耗在低溫時，在溫度高時數值

變小；

設計，選型，替代注意：

1，器件常溫時可提供功耗值；

2，高溫過程變化曲線；

3，有必要計算產品在高溫工作時光偶功耗值；

4，替代時考慮常溫功耗，高溫狀態替代料是否優于原料；

7、Ic,If,Vce 關系曲線：

由圖表可看出：Vce 必須大于一定電壓，Ic 才能達到最大，CTR 值才會大；

設計，選型，替代注意：Vce 在電路應用中，保證設計有一定的電壓值，否則Ic 將較小，CTR 將較小，一般設計 Vc 應大于 3V。

8、CTR 值與工作時間，工作電流，工作溫度關系曲線：

由圖表可看出：工作時間越長，CTR 值越小；工作溫度越高，CTR 值越小；

工作電流越大，CTR 值越小；

設計，選型，替代注意：在設計選型時，在規格書規定的工作環境溫度下，為

了保證產品足夠壽命，需要選取合適的工作電流；

9、CTR 值與工作時間，工作電流，工作溫度關系曲線：

由圖表可看出：由于 CB 間接電容的存在，造成輸入與輸出信號間有個延遲時間，部分光藕在使用中將 B 極與地間加個電阻來減少延遲時間；

? 設計，選型，替代注意：在設計選型時，要了解光耦在信號傳輸時，有時間的延遲問題，因此選型根據產品的工作頻率來選定不同傳輸速率的光耦，部分可通過調整電阻來改變頻率響應；

10、Vce 漏電流 Iceo 大小與溫度關系曲線：

由圖表可看出：漏電流 I CBO 與環境溫度, 工作電壓有關；溫度越高，漏電流越大，Vce 越高，漏電流越大；

設計，選型，替代注意：在設計選型時，需選取 Icbo 小的光耦，電路中取合適R L, 否則后續控制電路有可能錯誤導通；

11、其他特性：

包括基本電氣參數要求和器件參數最大值等； 要留意如器件的熱阻大小，絕緣耐壓值等要求也會在實際應用中出現異常。

三、光耦降額規范

1、 集電極電壓VC：

在最壞的情況下，集電極電壓VC 必須滿足下表：

2、集電極電流IC：

在最壞的情況下，集電極電流IC 必須滿足下表：

3、輸入電流IF :

在最壞的情況下，輸入電流IF 必須滿足下表：

4、結溫Tj：

在最壞的情況下，結溫Tj必須滿足下表：

降額考核點的測試與計算

1 集電極電壓VC：

對于非脈沖狀態下VC的測試，可以采用萬用表或示波器測試。對于脈沖狀態下VC的測試，則須采用示波器進行測試。

2 集電極電流IC：

IC等同于集電極電阻RC上的電流，RC的電壓測試方法可參照11.3.1。

3 輸入電流IF :

IF等同于輸入限流電阻RF上的電流，RF的電壓測試方法可參照11.3.1。

4 結溫Tj：

4.1 結溫與功耗的換算

實際光耦正常工作的條件限制是結溫，結溫可通過器件實際功耗進行計算。

Tj＝P／PDmax×(Tjmax－25)＋Ta…………………..（a）

Tj＝P×θj-a＋Ta………………………………………..(b)

其中：

Tj ：器件的實際結溫

Ta ：器件工作環境溫度

Tjmax : 器件允許的最高結溫

PDmax: 器件在環境溫度25℃下允許的最大功率

P : 器件的實際功耗

θj-a: 器件由結到環境的熱阻

光耦反饋式開關電源必須正確選擇線性光耦合器的型號及參數，除了必須遵循普通光耦的選取原則外，還需要考慮以下問題：

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。

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。也可以采用下面這種方式采用普通雙光耦補償。效果也還可以。

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。

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隔離擊穿電壓的要求。但是我們在設計時很少考慮這個問題。如下圖所示，Vcm即是兩側地的壓差。Ps2501所能隔離的最大電壓可達5000Vrms。隔離高低壓信號的應用一定要關注此參數。

四、光電隔離技術的應用

1、微機介面電路中的光電隔離微機有多個輸入埠，接收來自遠處現場設備傳來的狀態信號，微機對這些信號處理后，輸出各種控制信號去執行相應的操作。在現場環境較惡劣時，會存在較大的雜訊干擾，若這些干擾隨輸入信號一起進入微機系統，會使控制準確性降低，產生誤動作。因而，可在微機的輸入和輸出端，用光耦作介面，對信號及雜訊進行隔離。典型的光電耦合電路如圖6所示。該電路主要應用在“A／D轉換器”的數位信號輸出，及由CPU發出的對前向通道的控制信號與類比電路的介面處，從而實現在不同系統間信號通路相聯的同時，在電氣通路上相互隔離，并在此基礎上實現將類比電路和數位電路相互隔離，起到抑制交叉串擾的作用。

圖六 光電耦合器接線原理

對于線性類比電路通道，要求光電耦合器必須具有能夠進行線性變換和傳輸的特性，或選擇對管，采用互補電路以提高線性度，或用V／F變換后再用數位光耦進行隔離。

2、功率驅動電路中的光電隔離

在微機控制系統中，大量應用的是開關量的控制，這些開關量一般經過微機的I／O輸出，而I／O的驅動能力有限，一般不足以驅動一些點磁執行器件，需加接驅動介面電路，為避免微機受到干擾，須采取隔離措施。如可控硅所在的主電路一般是交流強電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機直接相連，可應用光耦合器將微機控制信號與可控硅觸發電路進行隔離。電路實例如圖7所示。

圖七 雙向可控硅（晶閘管）

在馬達控制電路中，也可采用光耦來把控制電路和馬達高壓電路隔離開。馬達靠MOSFET或IGBT功率管提供驅動電流，功率管的開關控制信號和大功率管之間需隔離放大級。在光耦隔離級—放大器級—大功率管的連接形式中，要求光耦具有高輸出電壓、高速和高共模抑制。

3、遠距離的隔離傳送

在電腦應用系統中，由于測控系統與被測和被控設備之間不可避免地要進行長線傳輸，信號在傳輸過程中很易受到干擾，導致傳輸信號發生畸變或失真；另外，在通過較長電纜連接的相距較遠的設備之間，常因設備間的地線電位差，導致地環路電流，對電路形成差模干擾電壓。為確保長線傳輸的可靠性，可采用光電耦合隔離措施，將2個電路的電氣連接隔開，切斷可能形成的環路，使他們相互獨立，提高電路系統的抗干擾性能。若傳輸線較長，現場干擾嚴重，可通過兩級光電耦合器將長線完全“浮置”起來，如圖8所示。

圖八 傳輸長線的光耦浮置處理

長線的“浮置”去掉了長線兩端間的公共地線，不但有效消除了各電路的電流經公共地線時所產生雜訊電壓形成相互竄擾，而且也有效地解決了長線驅動和阻抗匹配問題；同時，受控設備短路時，還能保護系統不受損害。

4、過零檢測電路中的光電隔離

零交叉，即過零檢測，指交流電壓過零點被自動檢測進而產生驅動信號，使電子開關在此時刻開始開通。現代的零交叉技術已與光電耦合技術相結合。圖9為一種單片機數控交流調壓器中可使用的過零檢測電路。

圖九 過零檢測

220V交流電壓經電阻R1限流后直接加到2個反向并聯的光電耦合器GD1，GD2的輸入端。在交流電源的正負半周，GD1和GD2分別導通，U0輸出低電平，在交流電源正弦波過零的瞬間，GD1和GD2均不導通，U0輸出高電平。該脈沖信號經反閘整形后作為單片機的中斷請求信號和可控矽的過零同步信號。

注意事項

（1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源，若兩端共用一個電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。

（2）當用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時，必須對所有的信號（包括數位量信號、控制量信號、狀態信號）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯系，否則這種隔離是沒有意義的。

五、線性光耦

1. 線形光耦介紹

光隔離是一種很常用的信號隔離形式。常用光耦器件及其外圍電路組成。由于光耦電路簡單，在數字隔離電路或數據傳輸電路中常常用到，如UART協議的20mA電流環。對于模擬信號，光耦因為輸入輸出的線形較差，并且隨溫度變化較大，限制了其在模擬信號隔離的應用。

對于高頻交流模擬信號，變壓器隔離是最常見的選擇，但對于支流信號卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案，如ADI的AD202，能夠提供從直流到幾K的頻率內提供0.025%的線性度，但這種隔離器件內部先進行電壓-頻率轉換，對產生的交流信號進行變壓器隔離，然后進行頻率-電壓轉換得到隔離效果。集成的隔離放大器內部電路復雜，體積大，成本高，不適合大規模應用。

模擬信號隔離的一個比較好的選擇是使用線形光耦。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別，只是將普通光耦的單發單收模式稍加改變，增加一個用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個光接受電路都是非線性的，但兩個光接受電路的非線性特性都是一樣的，這樣，就可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而達到實現線性隔離的目的。

市場上的線性光耦有幾中可選擇的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。這里以HCNR200/201為例介紹

2. 芯片介紹與原理說明

HCNR200/201的內部框圖如下所示

其中1、2引作為隔離信號的輸入，3、4引腳用于反饋，5、6引腳用于輸出。1、2引腳之間的電流記作IF，3、4引腳之間和5、6引腳之間的電流分別記作IPD1和IPD2。輸入信號經過電壓-電流轉化，電壓的變化體現在電流IF上，IPD1和IPD2基本與IF成線性關系，線性系數分別記為K1和K2,即

K1與K2一般很小（HCNR200是0.50%），并且隨溫度變化較大（HCNR200的變化范圍在0.25%到0.75%之間），但芯片的設計使得K1和K2相等。在后面可以看到，在合理的外圍電路設計中，真正影響輸出/輸入比值的是二者的比值K3,線性光耦正利用這種特性才能達到滿意的線性度的。

HCNR200和HCNR201的內部結構完全相同，差別在于一些指標上。相對于HCNR200，HCNR201提供更高的線性度。

采用HCNR200/201進行隔離的一些指標如下所示：

* 線性度：HCNR200：0.25%，HCNR201：0.05%；

* 線性系數K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；

* 溫度系數： -65ppm/oC；

* 隔離電壓：1414V；

* 信號帶寬：直流到大于1MHz。

從上面可以看出，和普通光耦一樣，線性光耦真正隔離的是電流，要想真正隔離電壓，需要在輸出和輸出處增加運算放大器等輔助電路。下面對HCNR200/201的典型電路進行分析，對電路中如何實現反饋以及電流-電壓、電壓-電流轉換進行推導與說明。

3. 典型電路分析

Agilent公司的HCNR200/201的手冊上給出了多種實用電路，其中較為典型的一種如下圖所示：

設輸入端電壓為Vin，輸出端電壓為Vout，光耦保證的兩個電流傳遞系數分別為K1、K2，顯然，，和之間的關系取決于和之間的關系。

將前級運放的電路提出來看，如下圖所示：

設運放負端的電壓為，運放輸出端的電壓為，在運放不飽和的情況下二者滿足下面的關系：

Vo=Voo-GVi (1)

其中是在運放輸入差模為0時的輸出電壓，G為運放的增益，一般比較大。

忽略運放負端的輸入電流，可以認為通過R1的電流為IP1，根據R1的歐姆定律得：

通過R3兩端的電流為IF，根據歐姆定律得：

其中,為光耦2腳的電壓，考慮到LED導通時的電壓基本不變，這里的作為常數對待。

根據光耦的特性，即

K1=IP1/IF (4)

將和的表達式代入上式，可得：

上式經變形可得到：

將的表達式代入（3）式可得：

考慮到G特別大，則可以做以下近似：

這樣，輸出與輸入電壓的關系如下：

可見，在上述電路中，輸出和輸入成正比，并且比例系數只由K3和R1、R2確定。一般選R1=R2，達到只隔離不放大的目的。

4. 輔助電路與參數確定

上面的推導都是假定所有電路都是工作在線性范圍內的，要想做到這一點需要對運放進行合理選型，并且確定電阻的阻值。

4.1 運放選型

運放可以是單電源供電或正負電源供電，上面給出的是單電源供電的例子。為了能使輸入范圍能夠從0到VCC，需要運放能夠滿擺幅工作，另外，運放的工作速度、壓擺率不會影響整個電路的性能。TI公司的LMV321單運放電路能夠滿足以上要求，可以作為HCNR200/201的外圍電路。

4.2 阻值確定

電阻的選型需要考慮運放的線性范圍和線性光耦的最大工作電流IFmax。K1已知的情況下，IFmax又確定了IPD1的最大值IPD1max，這樣，由于Vo的范圍最小可以為0，這樣，由于考慮到IFmax大有利于能量的傳輸，這樣，一般取最大值。

另外，由于工作在深度負反饋狀態的運放滿足虛短特性，因此，考慮IPD1的限制，這樣，R2的確定可以根據所需要的放大倍數確定，例如如果不需要放大，只需將R2=R1即可。

另外由于光耦會產生一些高頻的噪聲，通常在R2處并聯電容，構成低通濾波器，具體電容的值由輸入頻率以及噪聲頻率確定。

4.3 參數確定實例

假設確定Vcc=5V，輸入在0-4V之間，輸出等于輸入，采用LMV321運放芯片以及上面電路，下面給出參數確定的過程。

* 確定IFmax：HCNR200/201的手冊上推薦器件工作的25mA左右；

* 確定R3：R3=5V/25mA=200；

* 確定R1：;

* 確定R2：R2=R1=32K。