光耦的工作原理及應(yīng)用

光耦合器的壓力及應(yīng)用光耦合器（opticalcoupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱光耦。它是以光為媒介來傳播電信號(hào)的器件，一般把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、無觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出和輸入之間絕緣，單向傳播信號(hào)等長(zhǎng)處，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。工作原理耦合器以光為媒介傳播電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，因此，它在多種電路中得1553b耦合器線纜接頭到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分構(gòu)成：光的發(fā)射、光的接受及信號(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)器接受而產(chǎn)生光電流，再通過深入放大后輸出。這就完畢了電—光—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)傳播具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共?？酥颇芰?。因此，它在長(zhǎng)線傳播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，可以大大提高計(jì)算機(jī)工作的可靠性。長(zhǎng)處光耦合器的重要長(zhǎng)處是：信號(hào)單向傳播，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無光耦影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳播效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產(chǎn)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)傳播、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中，運(yùn)用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)整控制端電流來變化占空比，到達(dá)精密穩(wěn)壓目的。種類光電耦合器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。檢測(cè)示意圖非線性光耦的電流傳播特性曲線是非線性的，此類光耦適合于開關(guān)信號(hào)的傳播，不適合于傳播模擬量。常用的4N系列光耦屬于非線性光耦。線性光耦的電流傳播特性曲線靠近直線，并且小信號(hào)時(shí)性能很好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制。常用的線性光耦是PC817A—C系列。開關(guān)電源中常用的光耦是線性光耦。假如使用非線性光耦，有也許使振蕩波形變壞，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)寄生振蕩，使數(shù)千赫的振蕩頻率被數(shù)十到數(shù)百赫的低頻振蕩依次為號(hào)調(diào)制。由此產(chǎn)生的后果是對(duì)彩電，彩顯，VCD，DCD等等，將在圖像畫面上產(chǎn)生干擾。同步電源帶負(fù)載能力下降。在彩電，顯示屏等開關(guān)電源維修中假如光耦損壞，一定要用線性光耦代換。常用的4腳線性光耦有PC817A----C。PC111TLP521等常用的六腳線性光耦有：LP632TLP532PC614PC714PS2031等。常用的4N254N264N354N36是不合用于開關(guān)電源中的，由于這4種光耦均屬于非線性光耦。由于光電耦合器的品種和類型非常多，在光電子DATA手冊(cè)中，其型號(hào)超過上千種，一般可以按如下措施進(jìn)行分類：⑴按光途徑分，可分為外光路光電耦合器（又稱光電斷續(xù)檢測(cè)器）和內(nèi)光路光電耦合器。外光路光電耦合器又分為透過型和反射型光電耦合器。⑵按輸出形式分，可分為：a、光敏器件輸出型，其中包括光敏二極管輸出型，光敏三極管輸出型，光電池輸出型，光可控硅輸出型等。b、NPN三極管輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型，互補(bǔ)輸出型等。c、達(dá)林頓三極管輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型。d、邏輯門電路輸出型，其中包括門電路輸出型，施密特觸發(fā)輸出型，三態(tài)門電路輸出型等。e、低導(dǎo)通輸出型（輸出低電平毫伏數(shù)量級(jí)）。f、光開關(guān)輸出型（導(dǎo)通電阻小余10Ω）。g、功率輸出型（IGBT/MOSFET等輸出）。⑶按封裝形式分，可分為同軸型，雙列直插型，TO封裝型，扁平封裝型，貼片封裝型，以及光纖傳播型光耦等。⑷按傳播信號(hào)分，可分為數(shù)字型光電耦合器（OC門輸出型，圖騰柱輸出型及三態(tài)門電路輸出型等）和線性光電耦合器（可分為低漂移型，高線性型，寬帶型，單電源型，雙電源型等）。⑸按速度分，可分為低速光電耦合器（光敏三極管、光電池等輸出型）和高速光電耦合器（光敏二極管帶信號(hào)處理電路或者光敏集成電路輸出型）。⑹按通道分，可分為單通道，雙通道和多通道光電耦合器。⑺按隔離特性分，可分為一般隔離光電耦合器（一般光學(xué)膠灌封低于5000V，空封低于V）和高壓隔離光電耦合器（可分為10kV，20kV，30kV等）。⑻按工作電壓分，可分為低電源電壓型光電耦合器（一般5～15V）和高電源電壓型光電耦合器（一般不小于30V）。構(gòu)造特點(diǎn)光電耦合的重要特點(diǎn)如下：原理示意圖1.輸入和輸出端之間絕緣，其絕緣電阻一般都不小于10000MΩ，耐壓一般可超過1kV，有的甚至可以到達(dá)10kV以上。2.由于光接受器只能接受光源的信息，反之不能，因此信號(hào)從光源單向傳播到光接受器時(shí)不會(huì)出現(xiàn)反饋現(xiàn)象，其輸出信號(hào)也不會(huì)影響輸入端。3.由于發(fā)光器件（砷化鎵紅外二極管）是阻抗電流驅(qū)動(dòng)性器件，而噪音是一種高內(nèi)阻微電流電壓信號(hào)。因此光電耦合器件的共?？酥票群艽螅虼?，光電耦合器件可以很好地克制干擾并消除噪音。4.輕易和邏輯電路配合。5.響應(yīng)速度快。光電耦合器件的時(shí)間常數(shù)一般在微秒甚至毫微秒極。6.無觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、體積小、耐沖擊。性能特點(diǎn)光耦合器的重要長(zhǎng)處是單向傳播信號(hào)，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，傳播效率高。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳播、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光；由于光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響；光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω）、隔離電容很小（約幾種pF）因此能制止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。線性方式工作的光電耦合器是在光電耦合器的輸入端加控制電壓，在輸出端會(huì)成比例地產(chǎn)生一種用于深入控制下一級(jí)的電路的電壓。線性光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成，當(dāng)發(fā)光二極管接通而發(fā)光，光敏三級(jí)管導(dǎo)通，光電耦合器是電流驅(qū)動(dòng)型，需要足夠大的電流才能使發(fā)光二極管導(dǎo)通，假如輸入信號(hào)太小，發(fā)光二極管不會(huì)導(dǎo)通，其輸出信號(hào)將失真。在開關(guān)電源，尤其是數(shù)字開關(guān)電源中，運(yùn)用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)整控制端電流來變化占空比，到達(dá)精密穩(wěn)壓目的。光纖耦合器光耦合器的技術(shù)參數(shù)重要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳播比CTR、輸入級(jí)與輸出級(jí)之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat）。此外，在傳播數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)間、延遲時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)。電流傳播比是光耦合器的重要參數(shù)，一般用直流電流傳播比來表達(dá)。當(dāng)輸出電壓保持恒定期，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的比例。采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20%～300%（如4N35），而PC817則為80%～160%，達(dá)林頓型光耦合器（如4N30）可達(dá)100%～5000%。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此，CTR參數(shù)與晶體管的hFE有某種相似之處。線性光耦合器與一般光耦合器經(jīng)典的CTR-IF特性曲線。一般光耦合器的CTR-IF特性曲線呈非線性，在IF較小時(shí)的非線性失真尤為嚴(yán)重，因此它不適合傳播模擬信號(hào)。線性光耦合器的CTR-IF特性曲線具有良好的線性度，尤其是在傳播小信號(hào)時(shí)，其交流電流傳播比（ΔCTR=ΔIC/ΔIF)很靠近于直流電流傳播比CTR值。因此，它適合傳播模擬電壓或電流信號(hào)，能使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。這是其重要特性。使用光電耦合器重要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須遵照下列原則：所選用的光電耦合器件必須符合國(guó)際的有關(guān)隔離擊穿電壓的原則；由英國(guó)埃索柯姆（Isocom）企業(yè)、美國(guó)摩托羅拉企業(yè)生產(chǎn)的4N××系列（如4N25、4N26、4N35）光耦合器，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用地十分普遍。鑒于此類光耦合器展現(xiàn)開關(guān)特性，其線性度差，合適傳播數(shù)字信號(hào)（高、低電平），可以用于單片機(jī)的輸出隔離；所選用的光耦器件必須具有較高的耦合系數(shù)。技術(shù)參數(shù)光耦合器的技術(shù)參數(shù)重要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳播比CTR、輸入級(jí)與輸出級(jí)之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat）。此外，在傳播數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)間、延遲時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)。電流傳播比是光耦合器的重要參數(shù)，一般用直流電流傳播比來表達(dá)。當(dāng)輸出電壓保持恒定期，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的比例。使用光電耦合器重要是為