光電耦合器的輸入端是發(fā)光二極管，因此，它的輸入特性可用發(fā)光二極管的伏安特性來表示，如圖1b所示；輸出端是光敏三極管，因此光敏三極管的伏安特性就是它的輸出特性，如圖1c所示。由圖可見，光電耦合器存在著非線性工作區(qū)域，直接用來傳輸模擬量時(shí)精度較差。

　　圖1 光電耦合器結(jié)構(gòu)及輸入、輸出特性

　　解決方法之一，利用2個(gè)具有相同非線性傳輸特性的光電耦合器，T1和T2，以及2個(gè)射極跟隨器A1和A2組成，如圖2所示。如果T1和T2是同型號(hào)同批次的光電耦合器，可以認(rèn)為他們的非線性傳輸特性是完全一致的，即K1(I1)=K2(I1)，則放大器的電壓增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=(R3/R2)[K1(I1)/K2(I1)]=R3/R2。由此可見，利用T1和T2電流傳輸特性的對(duì)稱性，利用反饋原理，可以很好的補(bǔ)償他們?cè)瓉淼姆蔷€性。

　　圖2 光電耦合線性電路

　　另一種模擬量傳輸?shù)慕鉀Q方法，就是采用VFC(電壓頻率轉(zhuǎn)換)方式，如圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)變送器輸出模擬量信號(hào)(假設(shè)電壓信號(hào))，電壓頻率轉(zhuǎn)換器將變送器送來的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖序列，通過光耦隔離后送出。在主機(jī)側(cè)，通過一個(gè)頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將脈沖序列還原成模擬信號(hào)。此時(shí)，相當(dāng)于光耦隔離的是數(shù)字量，可以消除光耦非線性的影響。這是一種有效、簡單易行的模擬量傳輸方式。

　　圖3 VFC方式傳送信號(hào)

　　當(dāng)然，也可以選擇線性光耦進(jìn)行設(shè)計(jì)，如精密線性光耦TIL300，高速線性光耦6N135/6N136。線性光耦一般價(jià)格比普通光耦高，但是使用方便，設(shè)計(jì)簡單；隨著器件價(jià)格的下降，使用線性光耦將是趨勢(shì)。

　　當(dāng)采用光耦隔離數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，光電耦合器的傳輸特性，即傳輸速度，往往成為系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)傳輸速率的決定因素。在許多總線式結(jié)構(gòu)的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，為了防止各模塊之間的相互干擾，同時(shí)不降低通訊波特率，我們不得不采用高速光耦來實(shí)現(xiàn)模塊之間的相互隔離。常用的高速光耦有6N135/6N136，6N137/6N138。但是，高速光耦價(jià)格比較高，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本提高。這里介紹兩種方法來提高普通光耦的開關(guān)速度。

　　由于光耦自身存在的分布電容，對(duì)傳輸速度造成影響，光敏三極管內(nèi)部存在著分布電容Cbe和Cce，如圖1所示。由于光耦的電流傳輸比較低，其集電極負(fù)載電阻不能太小，否則輸出電壓的擺幅就受到了限制。但是，負(fù)載電阻又不宜過大，負(fù)載電阻RL越大，由于分布電容的存在，光電耦合器的頻率特性就越差，傳輸延時(shí)也越長。

　　圖1 光敏三極管內(nèi)部分布電容

　　用2只光電耦合器T1，T2接成互補(bǔ)推挽式電路，可以提高光耦的開關(guān)速度，如圖2所示。當(dāng)脈沖上升為“1”電平時(shí)，T1截止，T2導(dǎo)通。相反，當(dāng)脈沖為“0”電平時(shí)，T1導(dǎo)通，T2截止。這種互補(bǔ)推挽式電路的頻率特性大大優(yōu)于單個(gè)光電耦合器的頻率特性。

　　圖2 2只光電耦合器構(gòu)成的推挽式電路

　　此外，在光敏三極管的光敏基極上增加正反饋電路，這樣可以大大提高光電耦合器的開關(guān)速度。如圖3所示電路，通過增加一個(gè)晶體管，四個(gè)電阻和一個(gè)電容，實(shí)驗(yàn)證明，這個(gè)電路可以將光耦的最大數(shù)據(jù)傳輸速率提高10倍左右。

　　圖3 通過增加光敏基極正反饋來提高光耦的開關(guān)速度

　　在設(shè)計(jì)光耦光電隔離電路時(shí)必須正確選擇光耦合器的型號(hào)及參數(shù)，選取原則如下：

　　(1)由于光電耦合器為信號(hào)單向傳輸器件，而電路中數(shù)據(jù)的傳輸是雙向的，電路板的尺寸要求一定，結(jié)合電路設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，就要選擇單芯片集成多路光耦的器件；

　　(2)光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是不小于500％。因?yàn)楫?dāng)CTR5.0 mA)，才能保證信號(hào)在長線傳輸中不發(fā)生錯(cuò)誤，這會(huì)增大光耦的功耗；

　　(3)光電耦合器的傳輸速度也是選取光耦必須遵循的原則之一，光耦開關(guān)速度過慢，無法對(duì)輸入電平做出正確反應(yīng)，會(huì)影響電路的正常工作。

　　(4)推薦采用線性光耦。其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。設(shè)計(jì)中由于電路輸入輸出均是一種高低電平信號(hào)，故此，電路工作在非線性狀態(tài)。而在線性應(yīng)用中，因?yàn)樾盘?hào)不失真的傳輸，所以，應(yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)工作的要求，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路工作在線性狀態(tài)。

　　通常情況下，單芯片集成多路光耦的器件速度都比較慢，而速度快的器件大多都是單路的，大量的隔離器件需要占用很大布板面積，也使得設(shè)計(jì)的成本大大增加。在設(shè)計(jì)中，受電路板尺寸、傳輸速度、設(shè)計(jì)成本等因素限制，無法選用速度上非常占優(yōu)勢(shì)的單路光耦器件，在此選用TOSHIBA公司的TLP521-4。

　　大多數(shù)觸摸控制電路都是利用人體上的感應(yīng)信號(hào)使電路發(fā)生“動(dòng)作”的。如果用手指捏住示波器的輸入端子，觀察示波器上的波形，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，人體上的感應(yīng)信號(hào)，實(shí)際上就是50Hz的工頻信號(hào)。采用這種控制電路很容易受外部干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作。如圖所示為光電耦合器組成的觸摸開關(guān)電路，它可以有效避免因干擾而產(chǎn)生的誤動(dòng)作。

　　工作原理：電容C5、穩(wěn)壓管VDW、二極管VD2、電容C4和電阻R6等組成的電路為控制部分提供約12V的直流工作電壓。當(dāng)手觸摸金屬片S時(shí)，氖管N被點(diǎn)燃發(fā)光，由于N和光敏電阻RG組成光電耦合器，故這時(shí)RG的阻值變得很小，使集成電路NE555的2腳上的電位下降到低于電源電壓的1/3，由于NE555被接成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，所以NE555的3腳給出一個(gè)正脈沖，加到了集成電路CD4017的計(jì)數(shù)觸發(fā)端14腳，使CD4017計(jì)數(shù)一次。另外，該電路在接通電源時(shí)，由于電容C3和電阻R4的微分作用，給CD4017的復(fù)位清零端加上一個(gè)正的觸發(fā)脈沖，使CD4017處于被清零的狀態(tài)，即它的10個(gè)輸出端中，除了Q0為高電平外，其余的9個(gè)輸出端(Q1～Q9)都是低電平，所以經(jīng)過這一次計(jì)數(shù)之后，Q1變成高電平，通過電阻R5給雙向晶閘管VS的控制端注入觸發(fā)電流，使VS進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，于是負(fù)載得電開始工作。被接成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的NE555，在其3腳輸出一個(gè)正脈沖之后，由于C1通過NE555的7腳放電，使其6腳上的電位又恢復(fù)到了零電位，另外，觸摸S的手指離開S之后，NE555的2腳上的電位重新恢復(fù)到電源電壓的1/3以上，這就為下一次觸摸作好了準(zhǔn)備。在負(fù)載處于工作狀態(tài)時(shí)，如果再觸摸金屬片S一下，NE555也同樣會(huì)給CD4017送去一個(gè)計(jì)數(shù)觸發(fā)脈沖，使CD4017進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，這次計(jì)數(shù)將使Q1變成零電位，從而使VS截止，負(fù)載失電而停止工作，與此同時(shí)，Q2端變成高電位，這個(gè)高電位，又經(jīng)過二極管VD1加到了CD4017的15腳上，使CD4017復(fù)位清零，從而為下一次觸摸開機(jī)(接通負(fù)載)做好了準(zhǔn)備。以NE555為核心構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用是避免觸摸抖動(dòng)造成CD4017的重復(fù)計(jì)數(shù)，即保證S被觸摸一次，CD4017只計(jì)數(shù)一次，從而保證了操作結(jié)果不致出現(xiàn)錯(cuò)誤。

　　元器件選擇：IC1選擇NE555時(shí)基電路；IC2選擇CD4017。氖管N選擇普通氖管，光敏電阻RG選擇MG45型號(hào)。其他元器件選擇如圖所示。