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光耦基础知识
一.光耦简介
二.光耦的工作原理
-2.1.光耦的构造
-2.2.工作原理
三.光耦的分类
-3.1.晶体管输出型光耦
-3.2.高速IC输出型光耦
-3.3.线性输出型光耦
-3.4.可控硅输出型光耦
-3.5.光继电器
四.主要技术参数
-4.1.电流传输比CTR
-4.2.LED触发电流
五.光耦的选型
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光耦基础知识
一.光耦简介
二.光耦的工作原理
-2.1.光耦的构造
-2.2.工作原理
三.光耦的分类
-3.1.晶体管输出型光耦
-3.2.高速IC输出型光耦
-3.3.线性输出型光耦
-3.4.可控硅输出型光耦
-3.5.光继电器
四.主要技术参数
-4.1.电流传输比CTR
-4.2.LED触发电流
五.光耦的选型
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# 光耦基础知识 ## 一.光耦简介<a name="光耦简介"></a> 光电耦合器（optical coupler或photo coupler），亦称光耦合器、光隔离器以及光电隔离器，简称光耦。它是以光（含可见光、红外线等）作为媒介来传输电信号的一组装置，其功能是平时让输入电路及输出电路之间隔离，在需要时可以使电信号通过隔离层的传送方式。这样就使得光信号（发射端）和电信号（接收端）互不干扰，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。目前常见的各类光电耦合器的实物图如下：  图1-1 常见的各种光耦 ## 二.光耦的工作原理<a name="光耦的工作原理"></a> ### 2.1.光耦的构造<a name="光耦的构造"></a> 如下图2-1所示，光电耦合器一般由三部分组成：光电发射端、光电接收端、输出端信号放大及整形及驱动变换电路单元。  图2-1 光耦常见的两种结构示意图 ### 2.2.工作原理<a name="工作原理"></a> 光耦的基本作用原理是：输入的电信号驱动光发射源（各种波长的LED发光二极管或激光，还有早期使用的电灯泡、霓虹灯等），使之发光，而物理空间隔离的另外一端由光探测器（光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等）接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了“电—>光—>电”的转换，从而起到输入、输出隔离的作用。值得一提的是：图2-1中最下面的那种光耦结构，由于发射端和接收端空间距离较远，相比上面那种结构光耦，具有更高的爬电距离或隔离电压等级。 ## 三.光耦的分类<a name="光耦的分类"></a> 根据光电耦合器件输出端的不同电路结构和特性，大致可分类如下几种： ### 3.1.晶体管输出型光耦<a name="晶体管输出型光耦"></a> 这是最常见的光耦，输入端分为直流信号或交流信号控制型，输出端都是晶体管（单体或达林顿---具有更高的电流传输比）。这种类型的光耦凭借其价格低和通用性特点广泛使用于各种应用。 晶体管输出型光耦的特点是：大电流传输比（CTR）、高耐压、低输入电流。因为这类光耦的光电接收器使用的是光敏三极管，所以缺点也是明显的：传输速度较慢，时序延时较大。  图3-1 晶体管输出型光耦 ### 3.2.高速IC输出型光耦<a name="高速IC输出型光耦"></a> 这种光耦采用光敏二极管(Photo-Diode)作为光接收元件，同时内部带有一个集成电路（IC）做信号放大和整形，可实现高速信号的传输。相比于前面晶体管输出光耦只能提供最高几kHz的信号传输，此类光耦能提供1Mbps至150Mbps速率的数据传输。IC输出型光耦有两种类型：一种是设计用于传输逻辑信号的通用器件，另一种是具有特殊功能的器件，包括用于功率元件，比如IGBT等的栅极驱动器。  图3-2 高速IC输出型光耦 ### 3.3.线性输出型光耦<a name="线性输出型光耦"></a> 线性模拟光电耦合器内含一个高性能AlGaAs LED和两个高度匹配的光敏二极管(Photo-Diode)。输入光二极管可以用来监测并稳定LED的光度输出，因此LED的非线性和漂移特性几乎被消除，输出光二极管会产生线性对应LED光输出的光电流，光二极管间的紧密匹配和先进的封装设计可以确保光电耦合器的高线性度和稳定增益。 模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。  图3-3 线性输出型光耦 ### 3.4.可控硅输出型光耦<a name="可控硅输出型光耦"></a> 可控硅光耦，既有双向可控硅输出，也有单向可控硅输出。该类型的光耦主要用于控制交流负载，比如直接连接到家庭、办公室和工厂中采用110V或220Vrms商业电源的电机和电磁阀。它们采用了高耐压型可控硅，可以打开和关闭输入电流低至10mA的交流负载，同时提供电气隔离。虽然单一的可控硅光耦只能控制最高100mA左右的交流电，但它可以结合使用一个功率可控硅，以便控制高达几安培的交流电。  图3-4 可控硅输出型光耦 ### 3.5.光继电器<a name="光继电器"></a> 光继电器是指含有一个MOSFET光耦合LED的光耦。光继电器相比机械继电器而言具有许多优点，比如更长的使用寿命、低电流驱动和快速响应，广泛应用于半导体测试系统、安保系统等的接触开关。  图3-5 光继电器 ## 四.主要技术参数<a name="主要技术参数"></a> 光电耦合器的种类很多，不同类型的光耦具有不同的特性和参数，以下只是简单介绍一下光耦的常见或公共特性。 ### 4.1.电流传输比CTR<a name="电流传输比CTR"></a> 下图显示了采用晶体管输出光耦的典型电路。当LED电流（IF）施加于输入侧时，集电极电流（IC）出现于输出侧。 IC与IF的比即称为电流传输比（CTR），用百分数表示。与晶体管的hFE一样，电流传输比是晶体管输出光耦的重要参数。不同的电流传输比，会影响输出端的响应时间、灵敏度等等。  图4-1 电流传输比CTR ### 4.2.LED触发电流<a name="LED触发电流"></a> LED触发电流是指触发状态发生变化的LED电流，即更改输出状态所必要的LED电流。 设计者需要确保LED电流至少等于数据表中规定的触发LED电流（最大值）。而且，这个电流还根据温度变化而变化，因此也需要考虑使用的温度范围。 ## 五.光耦的选型<a name="光耦的选型"></a> 在设计光耦光电隔离电路时，必须正确选择光耦合器的型号及参数，选取原则如下： 1. 根据功能的需要，选择不同的光耦类型，比如：如果是数据通信用，那应该用高速IC输出型光耦；而控制大电流的继电器或灯泡，应该用光继电器或可控硅输出型光耦；模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。 2. 光耦的的传输速度也是选取光耦必须遵循的原则之一，光耦开关速度过慢，无法对输入电平做出正确反应，会影响电路的正常工作。 3. 根据电路原理计算所需要光耦的电流传输比。 4. 根据电路原理计算所需要光耦的LED触发电流。 5. 由于光电耦合器为信号单向传输器件，而电路中数据的传输是双向的，电路板的尺寸要求一定，结合电路设计的实际要求，就要选择单芯片集成多路光耦的器件。
