光耦的作用及工作原理

1、光耦的作用及工作原理光耦合器(optical couple,英文縮寫為OC)亦稱光電隔離器，簡(jiǎn) 稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有 良好的隔離作用所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已 成為種類最多、用途最廣的光電器件之一洸耦合器一般由三部分組 成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 (LED),使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出這就完成了電一光一電的轉(zhuǎn)換從而起到 輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信 號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能 力。又由于光耦合器

2、的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，而具有 很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件 可以大大提高信噪比在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離 的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)單向傳輸輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了 電氣隔離隔離輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響抗干擾能力強(qiáng)工作穩(wěn)定， 無觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。光耦合器惠年代發(fā)展起來的 新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、 開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離脈沖放大 電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器R)、 儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單

3、片開關(guān)電源中，利用線性光 耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比達(dá) 到精密穩(wěn)壓目的。學(xué)習(xí)筆記:光耦的主要作用就是隔離作，如信號(hào)隔離或光電的 隔離。隔離能起到保護(hù)的作用如一邊是微處理器控制電路，另一邊 是高電壓執(zhí)行端，如市電啟動(dòng)的電機(jī)，電燈等等，就可以用光耦隔離 開。當(dāng)兩個(gè)不同型號(hào)的光耦只有負(fù)載電流不同時(shí)可以用大負(fù)載電流 的光耦代替小負(fù)載電流的光耦。以六腳光耦TLP641J為例，說明其原理。一個(gè)光控晶閘管(photo-thyristor)耦合(couple to)一個(gè)珅化鎵 (gallium arsenide)紅外發(fā)光二極管(diode)組成。左邊1和2腳是發(fā)光二極管，當(dāng)外加電壓

4、后，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管LED),使之發(fā) 出一定波長(zhǎng)的光以此來觸發(fā)光控晶閘管洸控晶閘管的特點(diǎn)是門極 區(qū)集成了一個(gè)光電二極管觸發(fā)信號(hào)源與主回路絕緣它的關(guān)鍵是觸 發(fā)靈敏度要高。光控晶閘管控制極的觸發(fā)電流由器件中光生載流子 提。光控晶閘管陽極和陰極間加正壓門極區(qū)若用一定波長(zhǎng)的光照射， 則光控晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)為提高光控晶閘管觸發(fā)靈敏度門極 區(qū)常采用放大門極結(jié)構(gòu)或雙重放大門極結(jié)構(gòu)。為滿足高的重加電壓 上升率，常采用陰極發(fā)射極短路結(jié)構(gòu)小功率光控晶閘管常應(yīng)用于電 隔離，為較大的晶閘管提供控制極觸發(fā)；也可用于繼電器、自動(dòng)控制 等方面。大功率光控晶閘管主要用于高壓直流輸電。當(dāng)1和2腳加上5V以上電源后，就能使發(fā)光

5、管發(fā)光驅(qū)動(dòng)光控 晶閘管進(jìn)入通態(tài)，此時(shí)5和4腳構(gòu)成一個(gè)電阻，阻值大約為0Ko 當(dāng)1和2不加電壓時(shí)，貝科和5可以看成一個(gè)無窮大的電阻。2、pc817是常用的線性光藕在各種要求比較精密的功能電路常 常被當(dāng)作耦合器件具有上下級(jí)電路完全隔離的作用相互不產(chǎn)生影 響。光耦pc817應(yīng)用電路部當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器發(fā)出光線，照射在受光器上，受光器接 受光線后導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了 -光-電” 的轉(zhuǎn)換。普通光電耦合器只能傳輸數(shù)字信號(hào)(開關(guān)信號(hào)不適合傳輸模擬信 號(hào)。線性光電耦合器是一種新型的光電隔離器件能夠傳輸連續(xù)變化 的模擬電壓或電流信號(hào)這樣隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的 光信號(hào)，從而

6、使光敏晶體管的導(dǎo)通程度也不同輸出的電壓或電流也 隨之不同。PC817光電耦合器不但可以起到反饋?zhàn)饔眠€可以起到隔離作用。 光耦的原理參數(shù)特點(diǎn)及作用光電耦合器以下簡(jiǎn)稱光耦是一種發(fā)光器件和光敏器件組成的光電 器件。它能實(shí)現(xiàn)電一光一電信號(hào)的變換并且輸入信號(hào)與輸出信號(hào)是 隔離的 目前極大多數(shù)的光耦輸入部分采用珅化鎵紅外發(fā)光二極管， 輸出部分采用硅光電二極管硅光電三極管及光觸發(fā)可控硅這是因 為峰值波長(zhǎng)900 940nm的珅化鎵紅外發(fā)光二極管能與硅光電器件 的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)相吻合，可獲得較高的信號(hào)傳輸效率。光耦的結(jié)構(gòu)光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。光耦輸入部分大都是紅外發(fā) 光二極管，輸出部分有不同的光敏器件，如

7、圖所示。這里要說明的是，圖2(c)的輸入部分有兩個(gè)背對(duì)背的紅外發(fā)光二極 管，它用于交流輸入的場(chǎng)合圖2床用達(dá)林頓輸出結(jié)構(gòu)它可使輸 出獲得較大的電流；算(e)、2(f)的輸出由光觸發(fā)雙向可控硅組成， 它們主要用來驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載圖2(e)與圖2的差別是圖2(f)有過零 觸發(fā)控制圖中的ZC 即過零的意思，而圖2(e股有過零觸發(fā) 控制電路。基本電路光耦的基本電路如圖3所示。圖3(a)的負(fù)載電阻RL接在發(fā)射極 及地之間，圖3(b)的負(fù)載電阻RL接在電源Vdd與集電極之間。在圖3(a)中，輸入端加上Vcc電壓，經(jīng)限流電呼in后，有一 定的電流IF流經(jīng)紅外發(fā)光二極管IF與Vcc發(fā)光二極管的正向壓 降VF及Rin

8、的關(guān)系為：IF=(Vcc-VF)/Rin式中的VF取1.3V。IF 的最大值由資料給出一般工作時(shí)IFW 10mA)。發(fā)光二極管發(fā)光后，光電三極管導(dǎo)通，集電極電流由Vdd經(jīng)光電 三極管流過RL到地，使輸出電壓Vout=IcxRLaVout=Vdd-VCE VCE為光電三極管的管壓降圖3(切的工作原理與圖3匕)相同，不再重復(fù)。圖3中輸入、輸出 也可用各自的地。從圖3(a)可以看出；輸入端不力Vcc電壓，輸出端Vout=0V,輸 入端加了 Vcc電壓，負(fù)載得電，這個(gè)功能相當(dāng)于繼電器”如果在輸入端加幅值為5V的脈;它如圖4所示)輸出端Vdd = 12VRL=10k 。，則輸出的脈沖幅值接近12V，從這

9、一功能來看相當(dāng)于變壓器； 若輸入電壓從0躍變到+5V,輸出則從0躍變到接近12V,它又可 用作電平轉(zhuǎn)換。特點(diǎn)及應(yīng)用范圍光耦的主要特點(diǎn):輸入與輸出之間絕緣絕緣電壓可達(dá)數(shù)千伏;言 號(hào)傳輸為單方向輸出信號(hào)不會(huì)對(duì)輸入信號(hào)有影響能傳輸模擬信號(hào) 也可傳輸數(shù)字信號(hào)；抗干擾能力強(qiáng)；體積小、壽命長(zhǎng)；由于無觸頭， 因此抗振性強(qiáng)。近年來由于生產(chǎn)工藝改進(jìn)SMT的發(fā)展，開發(fā)出性能更好、尺寸更小的貼片式光耦，它DIP6管腳封裝改進(jìn)膨管腳 其管腳仍按6管腳排列，封裝，不僅改小尺寸，并且減小了干擾，如1所示，但有封裝，不僅改小尺寸，并且減小了干擾，如1所示，但有些公司如圖2所示。頂面有圓圈者為第1管腳，如圖6所示。由于該類器

10、件有上述特點(diǎn)，主要應(yīng)用于隔離電路、開關(guān)電路、邏輯 電路、信號(hào)長(zhǎng)線傳輸、線性放大電路、隔離反饋電路、控制電路及電 平轉(zhuǎn)換電路等。光耦主要參數(shù)本文介紹NEC公司及TOSHIBA公司生產(chǎn)的一些常用的貼片式光 耦及其主要參數(shù)。主要參數(shù)如表及表2所示。這里要說明一下電流傳輸比CTR)這個(gè)參數(shù)的意義。CTR是Current Transfer Ratio的縮寫。它是在一定工作條件昕及VCE)，光耦的 輸出電流Ic與輸入電流IF的比值，一般用百分比表示，其值低的從 幾到幾十，高的從幾十到幾百，達(dá)林頓輸出型可達(dá)上千TR大，則 在同樣的IF下，輸出電流大，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力也強(qiáng)或者說IF較 小可獲得大的此)。這里順便

11、指出當(dāng)用光電耦合器作交流信號(hào)傳輸時(shí)必須考慮它的 頻率特性。采用GaAs發(fā)光二極管及硅光電三極管的光耦,最高工 作頻率約為5001也；其響應(yīng)時(shí)間小于102。在使用時(shí)要注意的紅外發(fā)光二極管的反壓R一般是很低的有的 VR僅3V。因此在使用時(shí)輸入端不能接反防止紅外發(fā)光二極管因反 壓過高而擊?？稍?腳、3腳接一個(gè)反向二極管來保，如圖4所 示光耦的簡(jiǎn)易測(cè)量方法光電三極管輸出的光耦是應(yīng)用最廣泛的若頂面印刷字跡或圓點(diǎn)看 不清楚，可采用指針式萬用表來測(cè)量確認(rèn)哪個(gè)管腳是1腳，并且也 可簡(jiǎn)易測(cè)出光耦的好壞。由于它是一個(gè)二極管及一個(gè)三極管、e極組成的，所以酈*11(E-IbmRce2min)/Ibm式中：Ibm是晶體

12、管的最大基極電流Rce2min是光敏三極管集射 間的最小電阻值。圖2、用光電耦合的雙穩(wěn)態(tài)電路三、用光電耦合器組成的整形電路由于用光電耦合器組成的脈沖耦合電路，其前后沿時(shí)間都比較 大，因此在耦合器后面接一級(jí)晶體管的整形放大電路見表一列出幾 種整形電路的應(yīng)用實(shí)例。表一用光電耦合器組成的整形電路光電耦合晶體管整形電路光電耦合固定組件整形反相整形快速整形電路說明這是一種施密特整形電路，因?yàn)椴还茌斎胧鞘д娣讲?、正弦波還是 鋸齒波，在輸出端均得到方波光電耦合順的輸出接一與非門時(shí)行整形光電耦合器的輸出端后面連接兩級(jí)與非門，構(gòu)成反相整形光電耦合器的輸出端后面連接兩只晶體管，構(gòu)成同相整形電路四、用光電耦合器組成

13、的斬波電路用光電耦合器組成的斬波電路見表二表二用光電耦合器組成的斬波電路直接斬波電路隔離式斬波電路(I)隔離式斬波電路(II)電路說明輸出Ei被測(cè)電壓，經(jīng)斬波取樣后送到編碼器里進(jìn)行編碼測(cè)量， 當(dāng)A點(diǎn)是低電位，B點(diǎn)為高電位時(shí)，6口1導(dǎo)通笛口2截止，被測(cè)電 壓Ei直接送到輸出端，反之A點(diǎn)高電位，B點(diǎn)低電位，GD1截止， GD2導(dǎo)通，C經(jīng)GD2放電，輸出端回到零。比普通的晶體管或場(chǎng)交攵應(yīng)管斬波器具有更高精度當(dāng)斬波脈沖輸入時(shí)86導(dǎo)通，則6口導(dǎo)通，輸入邊的山傳至輸 出邊，而uo正比于ui但相位相反，反之，斬波脈沖為零時(shí)GD截 止，uo為高電平，比普通用變壓器隔離的調(diào)制器，精度高，因變壓 器電壓不能太大，

14、引起輸出脈沖波頂不平。用兩只GD1及GD2。其中6口1作開關(guān)器，當(dāng)斬波脈沖輸入時(shí)， 6口1導(dǎo)通，ui反相傳至GD2的輸出邊使uo與輸入畝及斬波脈 沖隔離起來。光耦反隔離反饋的幾種典型接法在一般的隔離電源中光耦隔離反饋是一種簡(jiǎn)單低成本的方式。 但對(duì)于光耦反饋的各種連接方式及其區(qū)別目前尚未見到比較深入的 研究。而且在很多場(chǎng)合下，由于對(duì)光耦的工作原理理解不夠深入，光 耦接法混亂往往導(dǎo)致電路不能正常工作本研究將詳細(xì)分析光耦工 作原理，并針對(duì)光耦反饋的幾種典型接法加以對(duì)比研究。1常見的幾種連接方式及其工作原理常用于反饋的光耦型號(hào)有LP521 PC817等。這里以TLP521 為例，介紹這類光耦的特性。T

15、LP521的原邊相當(dāng)于一個(gè)發(fā)光二極管，原邊電流越大，光強(qiáng) 越強(qiáng)，副邊三極管的電流c越大。副邊三極管電流c與原邊二極管 電流If的比值稱為光耦的電流放大系數(shù)，該系數(shù)隨溫度變化而變化， 且受溫度影響較大。作反饋用的光耦正是利用原邊電流變化將導(dǎo)致 副邊電流變化來實(shí)現(xiàn)反饋，因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場(chǎng)合，由于 放大系數(shù)的溫漂比較大，應(yīng)盡量不通過光耦實(shí)現(xiàn)反饋。此外使用這 類光耦必須注意設(shè)計(jì)外圍參數(shù)使其工作在比較寬的線性帶內(nèi)杳則 電路對(duì)運(yùn)行參數(shù)的敏感度太強(qiáng)，不利于電路的穩(wěn)定工作。通常選擇TL431結(jié)合TLP521進(jìn)行反饋。這時(shí)，TL431的工作 原理相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)為.5 V的電壓誤差放大器所以在其1腳

16、與3腳之間，要接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。常見的光耦反饋第1種接法，如圖1所示。圖中，Vo為輸出電 壓，Vd為芯片的供電電壓。com信號(hào)接芯片的誤差放大器輸出腳， 或者把PWM芯片（如UC3525的內(nèi)部電壓誤差放大器接成同相放 大器形式，com信號(hào)則接到其對(duì)應(yīng)的同相端引腳。注意左邊的地為 輸出電壓地，右邊的地為芯片供電電壓地，兩者之間用光耦隔離。圖1所示接法的工作原理如下當(dāng)輸出電壓升高時(shí)TL431的1 腳（相當(dāng)于電壓誤差放大器的反向輸入端電壓上升，3腳（相當(dāng)于電壓 誤差放大器的輸出腳電壓下降，光耦TLP521的原邊電流If增大， 光耦的另一端輸出電流c增大，電阻R4上的電壓降增大，com引 腳電壓下降，占空比

17、減小輸出電壓減小反之，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，調(diào)節(jié)過程類宅常見的第2種接法摟口圖2所示。接法 的電 運(yùn)放 時(shí)， 因此 兩個(gè)中光耦白 壓誤差第1種接法不同的是，該接到芯片的誤頻接成同相端電位高放大圈輸出端，芯片內(nèi)部 相端電位的形利用的一種特性當(dāng)運(yùn)放輸出電流過大超過運(yùn)放電流輸出能力 運(yùn)放的輸出電壓值將下降，輸出電流越大，輸出電壓下降越多。 凡采用這種接法的電路，一定要把調(diào)節(jié)過程類宅常見的第2種接法摟口圖2所示。接法 的電 運(yùn)放 時(shí)， 因此 兩個(gè)中光耦白 壓誤差第1種接法不同的是，該接到芯片的誤頻接成同相端電位高放大圈輸出端，芯片內(nèi)部 相端電位的形利用的一種特性當(dāng)運(yùn)放輸出電流過大超過運(yùn)放電流輸出能力 運(yùn)放

18、的輸出電壓值將下降，輸出電流越大，輸出電壓下降越多。 凡采用這種接法的電路，一定要把WM芯片的誤差放大器的。接到固定電位上L須是同向端電位高于反向端電位，使誤差放大器初始輸出電壓為高。圖1%耦反域第，種接法圖土光新反域的第Z種接法圖2所示接法的工作原理是：當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，原邊電流增大，輸出電流c增大，由于Ic已經(jīng)超過了電壓誤差放大器的電流輸出能力，Cpm腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減??；反之， 調(diào)節(jié)過程類似。一圖3月當(dāng)輸在于圖3中多了一個(gè)電迪鼠該電阻的作個(gè)電流，避免己4電流過小后1基本相似，不同之處颯假1額外注入一 。實(shí)際上如適當(dāng)選取電阻值曲，電阻隴可以省略。,腐節(jié)過程基本上同囹接法法類

19、似，IAehA醯之間多c冬6一致。前常見 區(qū)別于輸出能力，Cpm腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減??；反之， 調(diào)節(jié)過程類似。一圖3月當(dāng)輸在于圖3中多了一個(gè)電迪鼠該電阻的作個(gè)電流，避免己4電流過小后1基本相似，不同之處颯假1額外注入一 。實(shí)際上如適當(dāng)選取電阻值曲，電阻隴可以省略。,腐節(jié)過程基本上同囹接法法類似，IAehA醯之間多c冬6一致。前常見 區(qū)別于麻作原理UeA 0n2在 分析。基本同接法2川幄；1T3種接法中的叱 r 一個(gè) 匕尸智f ? 521的幾個(gè)特Vce曲線，如圖5，圖6所示嚴(yán)作用與第性曲線作一下S5 TIXKl的L-幾曲線 圖A TIE1的4匕曲城由圖5、圖6可知，當(dāng)If小于5 m

20、A時(shí)，If的微小變化都將引起 Ic與Vce的劇烈變化，光耦的輸出特性曲線平緩。這時(shí)如果將光耦 作為電源反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分其傳遞函數(shù)增益非常大對(duì)于整個(gè)系統(tǒng) 來說，一個(gè)非常高的增益容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定所以將光耦的靜態(tài)工 作點(diǎn)設(shè)置在電流f小于5 mA是不恰當(dāng)?shù)?，設(shè)置為510 mA較恰 當(dāng)。此外，還需要分析光耦的c-If曲線，如圖7所0示。由圖7可以看出，在電流f小于10 mA時(shí)，Ic-If基本不變， 而在電流If大于10 mA之后，光耦開始趨向飽和Ic-If的值隨著If 的增大而減小。對(duì)于一個(gè)電源系統(tǒng)來說，如果環(huán)路的增益是變化的， 則將可能導(dǎo)致不穩(wěn)定，所以將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在過大處從而輸出T t特性容緩T

21、 t特性容緩比值基本，口心口，.7 移，這個(gè)特性從16屆曲10線是隨溫度勺。需靠對(duì)Ic-IflaEHEEI徵只是是溫度升臀曲線整體下第7 口舊1的4-。曲線 圖M TLr5Z1的410線是隨溫度勺。需靠對(duì)Ic-IflaEHEEI徵只是是溫度升臀曲線整體下由圖8可以看出，在If大于5 mA時(shí)，Ic-Ta曲線基本上是互相 平行的。根據(jù)上述分析以下針對(duì)不同的典型接法對(duì)比其特性以及適用 范圍。本研究以實(shí)際的隔離半橋輔助電源及反激式電源為例說明。第1種接法中接到電壓誤差放大器輸出端的電壓是外部電壓經(jīng) 電阻R4降壓之后得到，不受電壓誤差放大器電流輸出能力影響，光 耦的工作點(diǎn)選取可以通過其外接電阻隨意調(diào)節(jié)。

22、,5一TJ |HII|I ll| I II lllh.|iij瀚中泮橋輔助電源輸出負(fù)載為控制板上的各類控制芯片口k與10,4上多路輸出中各路的死負(fù)載j最后的實(shí)際功率大約30 w實(shí)際測(cè)一片三角波相比較力從-,得的光耦比）波形:督。對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)占空勺驅(qū)動(dòng)繞在.10的驅(qū)動(dòng)波形有負(fù)電壓部分坦聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比比個(gè)驅(qū)動(dòng)磁環(huán)上的夕曲可以較大，大約為按照前面的分析，令電流f的靜態(tài)工作點(diǎn)值大約為L(zhǎng)0 mA，對(duì) 應(yīng)的光耦工作溫度在）100c變化，值在2015 mA之間。一般 PWM芯片的三角波幅值大小不超過V，由此選定電阻R4的大小 為670Q,并同時(shí)確定?1431的3,5一TJ |HII|I ll| I II

23、lllh.|iij瀚中泮橋輔助電源輸出負(fù)載為控制板上的各類控制芯片口k與10,4上多路輸出中各路的死負(fù)載j最后的實(shí)際功率大約30 w實(shí)際測(cè)一片三角波相比較力從-,得的光耦比）波形:督。對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)占空勺驅(qū)動(dòng)繞在.10的驅(qū)動(dòng)波形有負(fù)電壓部分坦聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比比個(gè)驅(qū)動(dòng)磁環(huán)上的夕曲可以較大，大約為1 .0.71 .圖9 光羯4腳電壓波形圖。半橋下管的驅(qū)動(dòng)遁形對(duì)于第2種接法，一般芯片內(nèi)部的電壓誤差放大器其最大電流 輸出能力為3 mA左右，超過這個(gè)電流值誤差放大器輸出的最高電 壓將下降。所以，該接法中，如果電源穩(wěn)態(tài)占空比較大，那么電流 比較小，其值可能僅略大于mA，對(duì)應(yīng)圖7 ,Ib為2 mA左右。由 圖6可知，Ib值較小時(shí)，微小的b變化將引起Ic劇烈變化，光耦的 增益非常大這將導(dǎo)致閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)不容易穩(wěn)定而如果電源穩(wěn)態(tài)占空比 比較小，光耦的4腳電壓比較小對(duì)應(yīng)電壓誤差放大器的