光電耦合器的應用和分類

1 、簡述

光電耦合器（英文：optical coupler 或photo coupler），亦稱光耦合器、光隔離器以及光電隔離器，簡稱光耦。這種器件的想法是在1963由Akmenkalns等人提出（美國專利號：US

patent 3,417,249），并且以光敏電阻為基礎(chǔ)的光電耦合元件在1968年問世。它是以光（含可見光、紅外線等）作為媒介來傳輸電信號的一組裝置，其功能是平時讓輸入電路及輸出電路之間隔離，在需要時可以使電信號通過隔離層的傳送方式。這樣就使得光信號（發(fā)射端）和電信號（接收端）互不干擾，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。目前常見的各類光電耦合器的實物圖如下：

（圖1：常見的各種光耦）

2 、原理及構(gòu)造

如下圖（2）所示，光電耦合器一般由三部分組成：光電發(fā)射端、光電接收端、輸出端信號放大及整形及驅(qū)動變換電路單元。其基本作用原理是：輸入的電信號驅(qū)動光發(fā)射源（各種波長的LED發(fā)光二極管或激光，還有早期使用的電燈泡、霓虹燈等），使之發(fā)光，而物理空間隔離的另外一端由光探測器（光敏電阻、光芒二極管、光敏三極管等）接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了“電—>光—>電”的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。值得一提的是：圖(2)中最下面的那種光耦結(jié)構(gòu)，由于發(fā)射端和接收端空間距離較遠，相比上面那種結(jié)構(gòu)光耦，具有更高的爬電距離或隔離電壓等級。

3、分類&特性

根據(jù)光電耦合器件輸出端的不同電路結(jié)構(gòu)和特性，大致可分類如下幾種：

3-1. 晶體管輸出型光耦

這是最常見的光耦，輸入端分為直流信號或交流信號控制型，輸出端都是晶體管（單體或達林頓---具有更高的電流傳輸比）。這種類型的光耦憑借其價格低和通用性特點廣泛使用于各種應用。晶體管輸出光耦的特點是：大電流傳輸比（CTR）、高耐壓、低輸入電流。因為這類光耦，光電接收器使用的是光敏三極管，所以缺點也是明顯的：傳輸速度較慢，時序延時較大。

3-2. 高速IC輸出型光耦

這種光耦采用光敏二極管(Photo-Diode)作為光接收元件，同時內(nèi)部帶有一個集成電路（IC）做信號放大和整形，可實現(xiàn)高速信號的傳輸。相比于前面晶體管輸出光耦只能提供最高幾kHz的信號傳輸，此類光耦能提供1至50Mbps速率的數(shù)據(jù)傳輸。IC輸出光耦有兩種類型：一種是設(shè)計用于傳輸邏輯信號的通用器件，另一種是具有特殊功能的器件，包括用于功率元件，比如IGBT等的柵極驅(qū)動器。

這類的光耦，型號比如：6N137（單路）、LTV-0601（單路）、TLP2168（雙路）、LTV-074(雙路)等等。 甚至，還有下面這種雙向光耦（FOD8012A），一顆可以頂替兩顆光耦：

3-3.

線性輸出型光耦

這種線性模擬光電耦合器內(nèi)含一個高性能 AlGaAs LED和兩個高度匹配的光敏二極管(Photo-Diode)。輸入光二極管可以用來監(jiān)測并穩(wěn)定 LED 的光度輸出，因此 LED 的非線性和漂移特性幾乎被消除，輸出光二極管會產(chǎn)生線性對應 LED 光輸出的光電流，光二極管間的緊密匹配和先進的封裝設(shè)計可以確保光電耦合器的高線性度和穩(wěn)定增益。

上圖是HCNR200)的特性曲線可見線性度是很高的)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它特別適用于可以用來提供需要良好穩(wěn)定性、線性度、帶寬和低成本等各種廣泛應用的模擬信號隔離。

3-4. 可控硅輸出型光耦

這種可控硅光耦，既有雙向可控硅輸出，也有單向可控硅輸出。該類型的光耦主要用于控制交流負載，比如直接連接到家庭、辦公室和工廠中采用100或200Vrms商業(yè)電源的電機和電磁閥。它們采用了高耐壓型可控硅，可以打開和關(guān)閉輸入電流低至10mA的交流負載，同時提供電氣隔離。雖然單一的可控硅光耦只能控制最高100mA左右的交流電，但它可以結(jié)合使用一個功率可控硅，以便控制高達幾安培的交流電。

3-5. 光繼電器

這種光繼電器是指含有一個MOSFET光耦合LED的光耦。光繼電器相比機械繼電器而言具有許多優(yōu)點，比如更長的使用壽命、低電流驅(qū)動和快速響應，廣泛應用于半導體測試系統(tǒng)、安保系統(tǒng)等的接觸開關(guān)。

4 、主要技術(shù)參數(shù)

光電耦合器的種類很多，不同類型的光耦具有不同的特性和參數(shù)，以下只是簡單介紹一下光耦的常見或公共特性：

4-1、電流傳輸比（CTR）

下圖顯示了采用晶體管輸出光耦的典型電路。當LED電流（IF）施加于輸入側(cè)時，集電極電流（IC）出現(xiàn)于輸出側(cè)。 IC與IF的比即稱為電流傳輸比（CTR），用百分數(shù)表示。與晶體管的hFE一樣，電流傳輸比是晶體管輸出光耦的重要參數(shù)。不同的電流傳輸比，會影響輸出端的響應時間、靈敏度等等。

4-2、LED觸發(fā)電流

LED觸發(fā)電流是指觸發(fā)狀態(tài)發(fā)生變化的LED電流，即更改輸出狀態(tài)所必要的LED電流。

設(shè)計者需要確保LED電流至少等于數(shù)據(jù)表中規(guī)定的觸發(fā)LED電流（最大值）。而且，這個電流還根據(jù)溫度變化而變化，因此也需要考慮使用的溫度范圍。

5 、光耦合器的選型

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

（1）根據(jù)功能的需要，選擇不同的光耦類型，比如：如果是數(shù)據(jù)通信用，那應該用高

高速IC輸出型光耦；而控制大電流的繼電器或燈泡，應該用光繼電器 或可控硅繼電器。

（2）由于光電耦合器為信號單向傳輸器件，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)計的實際要求，就要選擇單芯片集成多路光耦的器件；

（3）光耦合器的電流傳輸比（CTR）的允許范圍是不小于500%。因為當CTR<500%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流（>5.0 mA），才能保證信號在長線傳輸中不發(fā)生錯誤，這會增大光耦的功耗；

（4）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，無法對輸入電平做出正確反應，會影響電路的正常工作；

（5）推薦采用線性光耦。其特點是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。設(shè)計中由于電路輸入輸出均是一種高低電平信號，故此，電路工作在非線性狀態(tài)。而在線性應用中，因為信號不失真的傳輸，所以，應根據(jù)動態(tài)工作的要求，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，使電路工作在線性狀態(tài)。

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