光耦在单片机系统中的应用

光电耦合器亦称光电隔离器，简称光耦或光隔。其输入为发光器，多为红外LED，输出为受光器，为各种类型的光敏半导体及集成半导体元件。输入与输出之间以光为媒介来传输电信号，输入级与输出级只有光路联系没有电路连接，即输入与输出之间是高度绝缘的，有几干伏的隔离能力；又因光是单向传播的，使光耦也单向传输信号，干扰无法反向传导而产生影响。

当我们使用光耦作为输入信号接口时，主要是使用其高压隔离能力和电气回路隔断能力，可避免输入端引入的异常高压损坏单片机及其它核心器件，消除了环路干扰串入单片机系统；因输入级的红外LED，本质上是电流型器件，有相对较大的电流才会发光，有抵抗较小干扰的能力。对于较强的干扰电压，仍会和有用信号一起通过光路耦合到输出级，进而干扰单片机的工作，因此用光耦作为输入接口时，并非万事大吉，也要采取一些抗干扰措施。

当使用光耦作为输出接口时，这时才真正发挥了它的优势。其几千伏的隔离能力，使常见的高压电损伤不到核心器件，至多也就把光耦输出级干坏；光耦单向传输信号的特性，作为输出口使用就特别重要了，光耦输出级连接的外围电路，电路上无论产生何种性质与大小的干扰，都无法通过光耦串扰到单片机，这时的光耦才是真正的抗干扰器件。

光耦作为输入口接收开关量输入信号，作为输出口输出驱动信号，开关侧和驱动侧都要使用独立的电源或经隔离的电源，如和单片机系统使用统一的电源，光耦将失去隔开电气联系和抗干扰的作用，就只能称电平转换器了。

1.双向光耦的应用

单片机用于工业现场时，为切断与现场输入回路的电气联系，隔断可能引入的有害高压，以应对现场干扰，单片机开关量输入口要经光耦的有效隔离才能可靠地工作。现场的开关量既有干接点，也有无触点有源开关量，为了兼容NPN和PNP型有源开关量，且减少单片机系统对外引出端子，常采用如图一和图二所示的双向光耦（也称交流光耦），与普通光耦不同的是，它的输入级是两个反并联的红外LED，输入端不分正负极，这使外部开关的接线非常灵活方便，图一和图二为两种不同的连接方式，只要对调一下电源的极性，就可适应不同性质的有源开关量。

图一 双向光耦连接1

图二 双向光耦连接2

交流型光耦的输入级一般有几十皮法的结电容，在输入级并联合适电阻可以提高开关速度，改善输入波形；在光耦输出级，还配有滤波电路，可滤除通过电光电耦合过来的残余共模尖峰。

2.达林顿管光耦的应用

达林顿型光耦主要用于单片机控制器的数字量输出口，使被控对象与控制器之间无电气联系，不会通过电路引入干扰；光耦单向传递信号，阻隔了后向通道的反串干扰；光耦有几千伏的电压隔离能力，输出口出现的异常高压不会损坏控制器核心部件。达林顿光耦有50～150mA的驱动能力，集射极之间的耐压一般都大于30VDC，可以直接驱动常用的继电器。如图三所示，继电器线圈使用独立的DC24V电源，与控制器使用的DC5V、3.3V 电源无直接电气连接，经光耦和继电器的双重隔离，电机产生的电磁干扰就不会影响单片机正常工作。

图三 达林顿管光耦

3.光电晶闸管输出型光耦

当用单片机控制交流强电负载时，通常采用的方法是用单片机控制板载直流继电器，再用继电器触点控制交流负载，而交流负载往往是感性负载，当对其进行投切操作时，电感负载上电流的突然中断，电感储存的能量将消耗在触点火花放电中，这种放电会造成强烈的高频电磁干扰，而且直流继电器线圈突然断电也会产生浪涌干扰。因此，用板载继电器隔离强电负载并不是最优方案，比较好的方法是用晶闸管光耦进行隔离，再用光敏晶闸管触发双向可控硅，用双向可控硅对交流负载进行控制，如图四所示。

图四 光敏晶闸型光耦

在图四的双向晶闸管控制电路中，为了减小晶闸管导通时出现的高次谐波对电网的污染，防止干扰到其他用电设备，要求晶闸管在电源电压过零时触发双向晶闸管，为此，常选用带过零检测的光电双向晶闸管输出光耦，图四中的MOC3081就是带有过零探测电路的光耦，以保证在电网电压过零时触发双向可控硅BTB04A 。光耦的红外LED由单片机的P1.2口进行控制，P1.2为高电平时，在交流电零点附近触发TR导通，交流接触器KM1吸合，控制大功率设备工作；P1.2为低电平时，TR关断，KM1断开设备电源。图四中的R4是限流电阻，保证MOC3081输出电流不超出其1A的最大电流；R5是抗干扰电阻，R6和C1组成RC吸收回路，限制TR两端出现过高的电压上升率。过高的电压上升率，会使晶闸管误导通，并有可能损坏晶闸管。

4.光电三极管型通用光耦

步进电机是单片机系统常用的执行部件，利用电脉冲对旋转角度和转速进行控制，步进角度和转速受输入脉冲个数和脉冲频率控制。对中小功率步进电机，一般使用软件方式驱动，通过单片机编程输出脉冲电流来控制步进电机的步进。步进电机要求的脉冲电流比较大，通常使用达林顿管来驱动。达林顿管是复合晶体管，输入阻抗高，所需控制电流小，电流增益高，输出阻抗低，带载能力强。

步进电机各相驱动电流会进行频繁的通断切换，会造成电磁串扰，影响单片机稳定运行，要在输出控制口加入一级光电隔离，以切断步进电机驱动电路与单片机控制电路之间的电气联系，如图五所示。各绕组两端都要并联开关二极管，用于在达林顿管从导通转入截止的瞬间，吸收绕组中的反电动势能量，以免反电势击穿达林顿管及产生电磁干扰。

图五 光敏晶体管型通用光耦

5.集成电路型高速光耦

单片机与PC机之间的通信，以前都用梯形DB9插头，以RS232电平标准进行通信，而现在的笔记本电脑及很多台式机都取消了DB9插头，现在电脑普遍使用USB接口，用USB协议与外部设备交换数据。本例采用USB转串口芯片CH340G，实现单片机与PC通信。为实现高速、稳定的通信，使用高速光耦ELM611进行电气隔离，保证PC机与单片机系统之间没有直接的电气联系，消除环路干扰，减少彼此之间的相互干扰。本例使用的高速光耦具有10MBit/S的传输能力，在进行程序下载和数据交换时，可以使用1～5MHz的频率进行通信，比MAX232 芯片快了很多，图六为原理图，供参考。

图六 高速光耦

祝各位朋友虎年大吉，万事如意！

开关电源常用的反馈电路与光耦CTR值对开关电源的影响

开关电源是闭环控制电路，所以输出反馈必不可少。这个反馈是指将输出电压通过某种形式，反馈给控制电路中的误差放大器输入端，与基准电压进行比较。开关控制电路的形式，可以有千万种，但反馈电路只有四种基本类型。

一、常用的四种基本反馈类型

1、基本反馈电路

基本反馈电路这种反馈电路的优点是电路简单、成本低廉，适用于小型化、经济型的开关电源 。缺点是稳压性能较差，电压调整率Sv=±1.5％～±2％，负载调整率Sl≈±5％。

2、 改进型基本反馈电路

这种反馈电路只是在基本反馈电路的基础上增加一只稳压管VDz和电阻R1，负载调整率将达到±2％。这种类型的反馈电路，VDz的稳压值一般为22V，需适当增加反馈绕组的匝数，提高反馈电压UFB，才能满足电路的需要。

3、配稳压管的光耦反馈电路

配稳压管的光耦反馈电路这种反馈电路由VDz提供参考电压Uz，当Uo发生变化时，在LED上可反映出误差电压的变化，光耦有一定的电压或者电流放大作用，这种电路相当于附属增加一个外部误差放大器，与内部误差放大器共同作用，增大了误差放大器的增益指数，使得控制器对输出电压的变化变得更敏感，它可使负载调整率达到±1％以下。

4、 配TL431的精密光耦反馈电路

配TL431的精密光耦反馈电路这种反馈电路比较复杂，但电压稳定性能最好。利用TL431可调式精密并联稳压器来代替稳压管，构成高灵敏度外部误差放大器，对Uo作精细调整，让电压调整率和负载调整率都达到±0.2％，能与线性稳压电源相媲美。这种反馈电路常用于精密开关电源。

二、开关电源相关重要参数

CTR： 发光管的电流和光敏三极管的电流比的最小值。

隔离电压： 发光管和光敏三极管的隔离电压的最小值。

光耦的技术参数： 主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压V(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降VCE(sat)。此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。

集电极-发射极电压 ：集电极-发射极之间的耐压值的最小值光耦什么时候导通?什么时候截至?普通光耦合器的CTR-IF特性曲线呈非线性，在IF较小时的非线性失真尤为严重，因此它不适合传输模拟信号。线性光耦合器的CTR-IF特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号时，其交流电流传输比(ΔCTR=ΔIC/ΔIF)很接近于直流电流传输比CTR值。因此，它适合传输模拟电压或电流信号，能使输出与输入之间呈线性关系。这是其重要特性。

电流传输比是光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围大多为20%～300%(如4N35)，而pc817则为80%～160%，台湾亿光(如EL817)可达50%～600%。这表明欲获得同样的输出电流，后者只需较小的输入电流。因此，CTR参数与晶体管的hFE有某种相似之处。

使用光电耦合器主要是为了提供输入电路和输出电路间的隔离，在设计电路时，必须遵循下列所选用的光电耦合器件必须符合国内和国际的有关隔离击穿电压的标准;由台湾亿光生成生产的EL817系列(如EL817B-F、EL817C-F)光耦合器，目前在国内应用地十分普遍。鉴于此类光耦合器呈现开关特性，其线性度差，适宜传输数字信号(高、低电平)，可以用于单片机的输出隔离;所选用的光耦器件必须具有较高的耦合系数。

三、光耦选取原则

在开关电源的隔离中，以及设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光耦合器的型号及参数，除了必须遵循普通光耦的选取原则外，还必须遵循下列原则：

1、推荐采用线性光耦合器，其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。

2、光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是50%～200%。这是因为当CTR<50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流(IF>5.0mA)，才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。若CTR>200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。

3、若用放大器电路去驱动光电耦合器，必须精心设计，保证它能够补偿耦合器的温度不稳定性和漂移。

以下是常见光电耦合器PC817系列的一些参数（仅供参考）：

来源：网络整理

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