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 、原理及構造

如下圖（2）所示，光電耦合器一般由三部分組成：光電發射端、光電接收端、輸出端信號放大及整形及驅動變換電路單元。其基本作用原理是：輸入的電信號驅動光發射源（各種波長的LED發光二極管或激光，還有早期使用的電燈泡、霓虹燈等），使之發光，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）接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了“電—>光—>電”的轉換，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構，由于發射端和接收端空間距離較遠，相比上面那種結構光耦，具有更高的爬電距離或隔離電壓等級。

3、分類&特性

根據光電耦合器件輸出端的不同電路結構和特性，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，同時內部帶有一個集成電路（IC）做信號放大和整形，可實現高速信號的傳輸。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速率的數據傳輸。IC輸出光耦有兩種類型：一種是設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測并穩定 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計可以確保光電耦合器的高線性度和穩定增益。

上圖是HCNR200)的特性曲線可見線性度是很高的)和內部結構，它特別適用于可以用來提供需要良好穩定性、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點，比如更長的使用壽命、低電流驅動和快速響應，廣泛應用于半導體測試系統、安保系統等的接觸開關。

4 、主要技術參數

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，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）施加于輸入側時，集電極電流（IC）出現于輸出側。 IC與IF的比即稱為電流傳輸比（CTR），用百分數表示。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。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觸發電流

LED觸發電流是指觸發狀態發生變化的LED電流，即更改輸出狀態所必要的LED電流。

設計者需要確保LED電流至少等于數據表中規定的觸發LED電流（最大值）。而且，這個電流還根據溫度變化而變化，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，選取原則如下：

（1）根據功能的需要，選擇不同的光耦類型，比如：如果是數據通信用，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，而電路中數據的傳輸是雙向的，電路板的尺寸要求一定，結合電路設計的實際要求，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做線性調整。設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。而在線性應用中，因為信號不失真的傳輸，所以，應根據動態工作的要求，設置合適的靜態工作點，使電路工作在線性狀態。

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