小小的光耦，滿滿的干貨！

時間：2020-11-16 10:43:24

關(guān)鍵字：信號傳輸光電耦合器

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[導(dǎo)讀]光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。

1、光電耦合器的概念

光電耦合器 (Optical coupler，英文縮寫OC)是以光為媒介傳輸電信號的一種 電一光一電 轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。

2、內(nèi)部結(jié)構(gòu)

如下圖 1 為某款常見SOP-4封裝光電耦合器的原理、封裝、3D示意圖。

左上角小圓點對應(yīng)的為1引腳，逆時針依次為引腳1、2、3、4。

圖 1?光電耦合器的原理、封裝、3D示意圖

下圖 2 是SOP-4封裝光耦的內(nèi)部示意圖，左側(cè)是發(fā)光二極管構(gòu)成的信號輸入部分，一般會是紅外線的發(fā)光二極管。中間部分是封閉式的光通道（也稱為電介質(zhì)通道）。右側(cè)主要為信號接收輸出部分，一般為光敏電阻、光電二極管、光晶體管、可控硅整流器或雙向晶閘管。

圖 2?SOP-4封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

下圖 3 為SOP-4封裝光耦對應(yīng)的切面圖，其內(nèi)部將發(fā)光元件與光敏元件封裝在一個黑色不透光的殼體內(nèi)，黑色不透光封裝起來的必要性是為了防止感光元件受到外部光線的干擾。

圖 3 SOP-4 內(nèi)部切面圖

3、基本工作原理

光電耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。

輸入的電信號驅(qū)動光發(fā)射源，使之發(fā)光，被光探測器接收而產(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。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，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，具有很強的 共模抑制 能力。所以，它在長線傳輸資訊中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在電腦數(shù)位通信及即時控制中作為信號隔離的界面器件，可以大大增加其工作之可靠性。

4、主要特點

輸入和輸出端之間絕緣，其絕緣電阻一般都大于10000MΩ，耐壓一般可超過1kV，有的甚至可以達到10kV以上；
由于光接收器只能接受光源的信息，反之不能，所以信號從光源單向傳輸?shù)焦饨邮掌鲿r不會出現(xiàn)反饋現(xiàn)象，其輸出信號也不會影響輸入端；
由于發(fā)光器件（砷化鎵紅外二極管）是阻抗電流驅(qū)動性器件，而噪音是一種高內(nèi)阻微電流電壓信號。因此光電耦合器件的共模抑制比很大，所以，光電耦合器件可以很好地抑制干擾并消除噪音；
容易和邏輯電路配合；
響應(yīng)速度快。光電耦合器件的時間常數(shù)通常在毫秒甚至微秒級；
無觸點、壽命長、體積小、耐沖擊。

5、種類

圖 4?主要種類(來自維基百科)

6、關(guān)鍵電氣參數(shù)

a、輸入特性?

光耦合器的輸入特性實際也就是其內(nèi)部發(fā)光二極管的特性。常見的參數(shù)有：

正向工作電壓Vf（Forward Voltage）

? ? ? ? Vf是指在給定的工作電流下，LED本身的壓降。常見的小功率LED通常以? ? ? ? ? ? ? ? ? If=20mA ?? ? 來測試正向工作電壓，當然不同的LED，測試條件和測試結(jié)果也? ? ? ? ? ?會不一樣。

反向電壓Vr（Reverse Voltage ）

? ? ? ?Vr指LED所能承受的最大反向電壓，超過此反向電壓，可能會損壞LED。在使? ? ? ? ? ?用交流脈沖驅(qū)動LED時，要特別注意不要超過反向電壓。

反向電流Ir（Reverse Current）

? ? ? ?通常指在最大反向電壓情況下，流過LED的反向電流。

允許功耗Pd（Maximum Power Dissipation）

? ? ? ?LED所能承受的最大功耗值。超過此功耗，可能會損壞LED。

中心波長λp（Peak Wave Length）

? ? ? ?λp指LED所發(fā)出光的中心波長值。波長直接決定光的顏色，對于雙色或多色? ? ? ? ? ? ? ?LED，會有幾個不同的中心波長值。

正向工作電流If（Forward Current）

? ? ? ? If是指LED正常發(fā)光時所流過的正向電流值。不同的LED，其允許流過的最大電? ? ? ? ? 流也會不一樣。

正向脈沖工作電流Ifp（Peak Forward Current）

? ? ? ? Ifp是指流過 LED的正向脈沖電流值。為保證壽命，通常會采用脈沖形式來驅(qū)動? ? ? ? ? LED，通常LED規(guī)格書中給的Ifp是以0.1ms脈沖寬度,占空比為1/10的脈沖電? ? ? ? ? 流來計算的。

b、輸出特性

? ? ?光耦合器的輸出特性實際也就是其內(nèi)部光敏三極管的特性，與普通的三極管類? ? ? ? ? ?似。常見的參數(shù)有：

集電極電流Ic（Collector Current）

? ? ? ? 光敏三極管集電極所流過的電流，通常表示其最大值。

集電極-發(fā)射極電壓Vceo（C-E Voltage）

? ? ? ? 集電極-發(fā)射極所能承受的電壓。

?發(fā)射極-集電極電壓Veco（E-C Voltage）

? ? ? ? ?發(fā)射極-集電極所能承受的電壓

反向截止電流Iceo
C-E飽和電壓Vce(sat)（C-E Saturation Voltage）

c、傳輸特性：

電流傳輸比CTR（Current Transfer Radio）
上升時間Tr （Rise Time）& 下降時間Tf（Fall Time）

其它參數(shù)諸如工作溫度、耗散功率等不再一一敷述。

d、隔離特性

入出間隔離電壓Vio（Isolation Voltage）

? ? ? ? 光耦合器輸入端和輸出端之間絕緣耐壓值。

入出間隔離電容Cio（Isolation Capacitance）：

? ? ? ? 光耦合器件輸入端和輸出端之間的電容值

入出間隔離電阻Rio：（Isolation Resistance）

7、典型應(yīng)用

光耦的應(yīng)用場景有很多，這部分只挑選其中的一些來做說明。

電平轉(zhuǎn)換
光耦經(jīng)常用在電平轉(zhuǎn)換電路中，通常我們的單片機系統(tǒng)是3.3V或者5V電壓供電，當需要控制其他不同的電平電路時，可以用光耦實現(xiàn)。如下圖 5，當5V單片機系統(tǒng)輸出高低電平時，分別控制右半部分12V電路的導(dǎo)通與關(guān)斷。
圖?5 電平轉(zhuǎn)換電路
電氣隔離
光耦常用于開關(guān)電源的強電與弱電的電氣隔離中。
如下圖 6 所示的關(guān)電源電路，開關(guān)電源220V電輸入，經(jīng)整流橋和電容濾波后，得到300V左右的高壓直流電，高壓直流電經(jīng)過電源管理芯片智能調(diào)節(jié)占空比加到變壓器初級線圈，這樣在變壓器次級線圈上得到較低電壓的交流電，經(jīng)過整流濾波后得到所需的直流電。
圖?6?開關(guān)電源電路圖
如上通過變壓器隔離了高壓和低壓部分，但電源管理芯片還需要一個輸出端反饋信號用來實時監(jiān)測輸出端電壓的高低，以便動態(tài)調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓在恒定的范圍內(nèi)。
圖 7 光耦反饋信號
那么低壓區(qū)的反饋信號如何才能安全的傳遞到高壓區(qū)的電源管理芯片呢？這里就用到了光耦。如圖 7 光耦先把低壓區(qū)的電壓高低轉(zhuǎn)化為光信號，光信號投射到光耦高壓端的光敏三極管上，光敏三極管再把光信號轉(zhuǎn)化為電信號，進而傳遞給電源管理芯片。當輸出電壓上升時，光耦內(nèi)發(fā)光二極管電流增大，亮度升高，光耦的另一端通過三極管的電流也相應(yīng)增大；當輸出電壓下降時，光耦內(nèi)發(fā)光二極管電流減小，亮度降低，光耦的另一端通過三極管的電流也相應(yīng)減小。開關(guān)電源中一般要求光耦兩端的電流成比例的線性變化，從而為電源管理芯片提供精確的反饋信號。