光電耦合器亦稱光電隔離器，簡(jiǎn)稱光耦或光隔。其輸入為發(fā)光器，多為紅外LED，輸出為受光器，為各種類型的光敏半導(dǎo)體及集成半導(dǎo)體元件。輸入與輸出之間以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)，輸入級(jí)與輸出級(jí)只有光路聯(lián)系沒(méi)有電路連接，即輸入與輸出之間是高度絕緣的，有幾干伏的隔離能力；又因光是單向傳播的，使光耦也單向傳輸信號(hào)，干擾無(wú)法反向傳導(dǎo)而產(chǎn)生影響。

當(dāng)我們使用光耦作為輸入信號(hào)接口時(shí)，主要是使用其高壓隔離能力和電氣回路隔斷能力，可避免輸入端引入的異常高壓損壞單片機(jī)及其它核心器件，消除了環(huán)路干擾串入單片機(jī)系統(tǒng)；因輸入級(jí)的紅外LED，本質(zhì)上是電流型器件，有相對(duì)較大的電流才會(huì)發(fā)光，有抵抗較小干擾的能力。對(duì)于較強(qiáng)的干擾電壓，仍會(huì)和有用信號(hào)一起通過(guò)光路耦合到輸出級(jí)，進(jìn)而干擾單片機(jī)的工作，因此用光耦作為輸入接口時(shí)，并非萬(wàn)事大吉，也要采取一些抗干擾措施。

當(dāng)使用光耦作為輸出接口時(shí)，這時(shí)才真正發(fā)揮了它的優(yōu)勢(shì)。其幾千伏的隔離能力，使常見的高壓電損傷不到核心器件，至多也就把光耦輸出級(jí)干壞；光耦單向傳輸信號(hào)的特性，作為輸出口使用就特別重要了，光耦輸出級(jí)連接的外圍電路，電路上無(wú)論產(chǎn)生何種性質(zhì)與大小的干擾，都無(wú)法通過(guò)光耦串?dāng)_到單片機(jī)，這時(shí)的光耦才是真正的抗干擾器件。

光耦作為輸入口接收開關(guān)量輸入信號(hào)，作為輸出口輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，開關(guān)側(cè)和驅(qū)動(dòng)側(cè)都要使用獨(dú)立的電源或經(jīng)隔離的電源，如和單片機(jī)系統(tǒng)使用統(tǒng)一的電源，光耦將失去隔開電氣聯(lián)系和抗干擾的作用，就只能稱電平轉(zhuǎn)換器了。

1.雙向光耦的應(yīng)用

單片機(jī)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，為切斷與現(xiàn)場(chǎng)輸入回路的電氣聯(lián)系，隔斷可能引入的有害高壓，以應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干擾，單片機(jī)開關(guān)量輸入口要經(jīng)光耦的有效隔離才能可靠地工作?，F(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)量既有干接點(diǎn)，也有無(wú)觸點(diǎn)有源開關(guān)量，為了兼容NPN和PNP型有源開關(guān)量，且減少單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)外引出端子，常采用如圖一和圖二所示的雙向光耦（也稱交流光耦），與普通光耦不同的是，它的輸入級(jí)是兩個(gè)反并聯(lián)的紅外LED，輸入端不分正負(fù)極，這使外部開關(guān)的接線非常靈活方便，圖一和圖二為兩種不同的連接方式，只要對(duì)調(diào)一下電源的極性，就可適應(yīng)不同性質(zhì)的有源開關(guān)量。

圖一 雙向光耦連接1

圖二 雙向光耦連接2

交流型光耦的輸入級(jí)一般有幾十皮法的結(jié)電容，在輸入級(jí)并聯(lián)合適電阻可以提高開關(guān)速度，改善輸入波形；在光耦輸出級(jí)，還配有濾波電路，可濾除通過(guò)電光電耦合過(guò)來(lái)的殘余共模尖峰。

2.達(dá)林頓管光耦的應(yīng)用

達(dá)林頓型光耦主要用于單片機(jī)控制器的數(shù)字量輸出口，使被控對(duì)象與控制器之間無(wú)電氣聯(lián)系，不會(huì)通過(guò)電路引入干擾；光耦單向傳遞信號(hào)，阻隔了后向通道的反串干擾；光耦有幾千伏的電壓隔離能力，輸出口出現(xiàn)的異常高壓不會(huì)損壞控制器核心部件。達(dá)林頓光耦有50～150mA的驅(qū)動(dòng)能力，集射極之間的耐壓一般都大于30VDC，可以直接驅(qū)動(dòng)常用的繼電器。如圖三所示，繼電器線圈使用獨(dú)立的DC24V電源，與控制器使用的DC5V、3.3V 電源無(wú)直接電氣連接，經(jīng)光耦和繼電器的雙重隔離，電機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾就不會(huì)影響單片機(jī)正常工作。

圖三 達(dá)林頓管光耦

3.光電晶閘管輸出型光耦

當(dāng)用單片機(jī)控制交流強(qiáng)電負(fù)載時(shí)，通常采用的方法是用單片機(jī)控制板載直流繼電器，再用繼電器觸點(diǎn)控制交流負(fù)載，而交流負(fù)載往往是感性負(fù)載，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行投切操作時(shí)，電感負(fù)載上電流的突然中斷，電感儲(chǔ)存的能量將消耗在觸點(diǎn)火花放電中，這種放電會(huì)造成強(qiáng)烈的高頻電磁干擾，而且直流繼電器線圈突然斷電也會(huì)產(chǎn)生浪涌干擾。因此，用板載繼電器隔離強(qiáng)電負(fù)載并不是最優(yōu)方案，比較好的方法是用晶閘管光耦進(jìn)行隔離，再用光敏晶閘管觸發(fā)雙向可控硅，用雙向可控硅對(duì)交流負(fù)載進(jìn)行控制，如圖四所示。

圖四 光敏晶閘型光耦

在圖四的雙向晶閘管控制電路中，為了減小晶閘管導(dǎo)通時(shí)出現(xiàn)的高次諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，防止干擾到其他用電設(shè)備，要求晶閘管在電源電壓過(guò)零時(shí)觸發(fā)雙向晶閘管，為此，常選用帶過(guò)零檢測(cè)的光電雙向晶閘管輸出光耦，圖四中的MOC3081就是帶有過(guò)零探測(cè)電路的光耦，以保證在電網(wǎng)電壓過(guò)零時(shí)觸發(fā)雙向可控硅BTB04A 。光耦的紅外LED由單片機(jī)的P1.2口進(jìn)行控制，P1.2為高電平時(shí)，在交流電零點(diǎn)附近觸發(fā)TR導(dǎo)通，交流接觸器KM1吸合，控制大功率設(shè)備工作；P1.2為低電平時(shí)，TR關(guān)斷，KM1斷開設(shè)備電源。圖四中的R4是限流電阻，保證MOC3081輸出電流不超出其1A的最大電流；R5是抗干擾電阻，R6和C1組成RC吸收回路，限制TR兩端出現(xiàn)過(guò)高的電壓上升率。過(guò)高的電壓上升率，會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通，并有可能損壞晶閘管。

4.光電三極管型通用光耦

步進(jìn)電機(jī)是單片機(jī)系統(tǒng)常用的執(zhí)行部件，利用電脈沖對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，步進(jìn)角度和轉(zhuǎn)速受輸入脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率控制。對(duì)中小功率步進(jìn)電機(jī)，一般使用軟件方式驅(qū)動(dòng)，通過(guò)單片機(jī)編程輸出脈沖電流來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)。步進(jìn)電機(jī)要求的脈沖電流比較大，通常使用達(dá)林頓管來(lái)驅(qū)動(dòng)。達(dá)林頓管是復(fù)合晶體管，輸入阻抗高，所需控制電流小，電流增益高，輸出阻抗低，帶載能力強(qiáng)。

步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電流會(huì)進(jìn)行頻繁的通斷切換，會(huì)造成電磁串?dāng)_，影響單片機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，要在輸出控制口加入一級(jí)光電隔離，以切斷步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)控制電路之間的電氣聯(lián)系，如圖五所示。各繞組兩端都要并聯(lián)開關(guān)二極管，用于在達(dá)林頓管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)入截止的瞬間，吸收繞組中的反電動(dòng)勢(shì)能量，以免反電勢(shì)擊穿達(dá)林頓管及產(chǎn)生電磁干擾。

圖五 光敏晶體管型通用光耦

5.集成電路型高速光耦

單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信，以前都用梯形DB9插頭，以RS232電平標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，而現(xiàn)在的筆記本電腦及很多臺(tái)式機(jī)都取消了DB9插頭，現(xiàn)在電腦普遍使用USB接口，用USB協(xié)議與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)。本例采用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340G，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC通信。為實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定的通信，使用高速光耦ELM611進(jìn)行電氣隔離，保證PC機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)之間沒(méi)有直接的電氣聯(lián)系，消除環(huán)路干擾，減少彼此之間的相互干擾。本例使用的高速光耦具有10MBit/S的傳輸能力，在進(jìn)行程序下載和數(shù)據(jù)交換時(shí)，可以使用1～5MHz的頻率進(jìn)行通信，比MAX232 芯片快了很多，圖六為原理圖，供參考。

圖六 高速光耦

編輯：黃飛

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