光电耦合器的作用及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

审核编辑：郭婷