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,英文缩写为OC)亦称光电隔离器，简 称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有 良好的隔离作用所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已 成为种类最多、用途最广的光电器件之一洸耦合器一般由三部分组 成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管 (LED),使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出这就完成了电一光一电的转换从而起到 输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信 号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能 力。又由于光耦合器

2、的输入端属于电流型工作的低阻元件，而具有 很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件 可以大大提高信噪比在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离 的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是信号单向传输输入端与输出端完全实现了 电气隔离隔离输出信号对输入端无影响抗干扰能力强工作稳定， 无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器惠年代发展起来的 新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、 开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离脉冲放大 电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器R)、 仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单

3、片开关电源中，利用线性光 耦合器可构成光耦反馈电路通过调节控制端电流来改变占空比达 到精密稳压目的。学习笔记:光耦的主要作用就是隔离作，如信号隔离或光电的 隔离。隔离能起到保护的作用如一边是微处理器控制电路，另一边 是高电压执行端，如市电启动的电机，电灯等等，就可以用光耦隔离 开。当两个不同型号的光耦只有负载电流不同时可以用大负载电流 的光耦代替小负载电流的光耦。以六脚光耦TLP641J为例，说明其原理。一个光控晶闸管(photo-thyristor)耦合(couple to)一个珅化镓 (gallium arsenide)红外发光二极管(diode)组成。左边1和2脚是发光二极管，当外加电压

4、后，驱动发光二极管LED),使之发 出一定波长的光以此来触发光控晶闸管洸控晶闸管的特点是门极 区集成了一个光电二极管触发信号源与主回路绝缘它的关键是触 发灵敏度要高。光控晶闸管控制极的触发电流由器件中光生载流子 提。光控晶闸管阳极和阴极间加正压门极区若用一定波长的光照射， 则光控晶闸管由断态转入通态为提高光控晶闸管触发灵敏度门极 区常采用放大门极结构或双重放大门极结构。为满足高的重加电压 上升率，常采用阴极发射极短路结构小功率光控晶闸管常应用于电 隔离，为较大的晶闸管提供控制极触发；也可用于继电器、自动控制 等方面。大功率光控晶闸管主要用于高压直流输电。当1和2脚加上5V以上电源后，就能使发光

5、管发光驱动光控 晶闸管进入通态，此时5和4脚构成一个电阻，阻值大约为0Ko 当1和2不加电压时，贝科和5可以看成一个无穷大的电阻。2、pc817是常用的线性光藕在各种要求比较精密的功能电路常 常被当作耦合器件具有上下级电路完全隔离的作用相互不产生影 响。光耦pc817应用电路部当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接 受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了 -光-电” 的转换。普通光电耦合器只能传输数字信号(开关信号不适合传输模拟信 号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件能够传输连续变化 的模拟电压或电流信号这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的 光信号，从而

6、使光敏晶体管的导通程度也不同输出的电压或电流也 随之不同。PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。 光耦的原理参数特点及作用光电耦合器以下简称光耦是一种发光器件和光敏器件组成的光电 器件。它能实现电一光一电信号的变换并且输入信号与输出信号是 隔离的 目前极大多数的光耦输入部分采用珅化镓红外发光二极管， 输出部分采用硅光电二极管硅光电三极管及光触发可控硅这是因 为峰值波长900 940nm的珅化镓红外发光二极管能与硅光电器件 的响应峰值波长相吻合，可获得较高的信号传输效率。光耦的结构光耦的内部结构剖面如图1所示。光耦输入部分大都是红外发 光二极管，输出部分有不同的光敏器件，如

7、图所示。这里要说明的是，图2(c)的输入部分有两个背对背的红外发光二极 管，它用于交流输入的场合图2床用达林顿输出结构它可使输 出获得较大的电流；算(e)、2(f)的输出由光触发双向可控硅组成， 它们主要用来驱动交流负载图2(e)与图2的差别是图2(f)有过零 触发控制图中的ZC 即过零的意思，而图2(e股有过零触发 控制电路。基本电路光耦的基本电路如图3所示。图3(a)的负载电阻RL接在发射极 及地之间，图3(b)的负载电阻RL接在电源Vdd与集电极之间。在图3(a)中，输入端加上Vcc电压，经限流电呼in后，有一 定的电流IF流经红外发光二极管IF与Vcc发光二极管的正向压 降VF及Rin

8、的关系为：IF=(Vcc-VF)/Rin式中的VF取1.3V。IF 的最大值由资料给出一般工作时IFW 10mA)。发光二极管发光后，光电三极管导通，集电极电流由Vdd经光电 三极管流过RL到地，使输出电压Vout=IcxRLaVout=Vdd-VCE VCE为光电三极管的管压降图3(切的工作原理与图3匕)相同，不再重复。图3中输入、输出 也可用各自的地。从图3(a)可以看出；输入端不力Vcc电压，输出端Vout=0V,输 入端加了 Vcc电压，负载得电，这个功能相当于继电器”如果在输入端加幅值为5V的脉;它如图4所示)输出端Vdd = 12VRL=10k 。，则输出的脉冲幅值接近12V，从这

9、一功能来看相当于变压器； 若输入电压从0跃变到+5V,输出则从0跃变到接近12V,它又可 用作电平转换。特点及应用范围光耦的主要特点:输入与输出之间绝缘绝缘电压可达数千伏;言 号传输为单方向输出信号不会对输入信号有影响能传输模拟信号 也可传输数字信号；抗干扰能力强；体积小、寿命长；由于无触头， 因此抗振性强。近年来由于生产工艺改进SMT的发展，开发出性能更好、尺寸更小的贴片式光耦，它DIP6管脚封装改进膨管脚 其管脚仍按6管脚排列，封装，不仅改小尺寸，并且减小了干扰，如1所示，但有封装，不仅改小尺寸，并且减小了干扰，如1所示，但有些公司如图2所示。顶面有圆圈者为第1管脚，如图6所示。由于该类器

10、件有上述特点，主要应用于隔离电路、开关电路、逻辑 电路、信号长线传输、线性放大电路、隔离反馈电路、控制电路及电 平转换电路等。光耦主要参数本文介绍NEC公司及TOSHIBA公司生产的一些常用的贴片式光 耦及其主要参数。主要参数如表及表2所示。这里要说明一下电流传输比CTR)这个参数的意义。CTR是Current Transfer Ratio的缩写。它是在一定工作条件昕及VCE)，光耦的 输出电流Ic与输入电流IF的比值，一般用百分比表示，其值低的从 几到几十，高的从几十到几百，达林顿输出型可达上千TR大，则 在同样的IF下，输出电流大，驱动负载的能力也强或者说IF较 小可获得大的此)。这里顺便

11、指出当用光电耦合器作交流信号传输时必须考虑它的 频率特性。采用GaAs发光二极管及硅光电三极管的光耦,最高工 作频率约为5001也；其响应时间小于102。在使用时要注意的红外发光二极管的反压R一般是很低的有的 VR仅3V。因此在使用时输入端不能接反防止红外发光二极管因反 压过高而击冢可在1脚、3脚接一个反向二极管来保，如图4所 示光耦的简易测量方法光电三极管输出的光耦是应用最广泛的若顶面印刷字迹或圆点看 不清楚，可采用指针式万用表来测量确认哪个管脚是1脚，并且也 可简易测出光耦的好坏。由于它是一个二极管及一个三极管、e极组成的，所以郦*11(E-IbmRce2min)/Ibm式中：Ibm是晶体

12、管的最大基极电流Rce2min是光敏三极管集射 间的最小电阻值。图2、用光电耦合的双稳态电路三、用光电耦合器组成的整形电路由于用光电耦合器组成的脉冲耦合电路，其前后沿时间都比较 大，因此在耦合器后面接一级晶体管的整形放大电路见表一列出几 种整形电路的应用实例。表一用光电耦合器组成的整形电路光电耦合晶体管整形电路光电耦合固定组件整形反相整形快速整形电路说明这是一种施密特整形电路，因为不管输入是失真方波、正弦波还是 锯齿波，在输出端均得到方波光电耦合顺的输出接一与非门时行整形光电耦合器的输出端后面连接两级与非门，构成反相整形光电耦合器的输出端后面连接两只晶体管，构成同相整形电路四、用光电耦合器组成

13、的斩波电路用光电耦合器组成的斩波电路见表二表二用光电耦合器组成的斩波电路直接斩波电路隔离式斩波电路(I)隔离式斩波电路(II)电路说明输出Ei被测电压，经斩波取样后送到编码器里进行编码测量， 当A点是低电位，B点为高电位时，6口1导通笛口2截止，被测电 压Ei直接送到输出端，反之A点高电位，B点低电位，GD1截止， GD2导通，C经GD2放电，输出端回到零。比普通的晶体管或场交攵应管斩波器具有更高精度当斩波脉冲输入时86导通，则6口导通，输入边的山传至输 出边，而uo正比于ui但相位相反，反之，斩波脉冲为零时GD截 止，uo为高电平，比普通用变压器隔离的调制器，精度高，因变压 器电压不能太大，

14、引起输出脉冲波顶不平。用两只GD1及GD2。其中6口1作开关器，当斩波脉冲输入时， 6口1导通，ui反相传至GD2的输出边使uo与输入亩及斩波脉 冲隔离起来。光耦反隔离反馈的几种典型接法在一般的隔离电源中光耦隔离反馈是一种简单低成本的方式。 但对于光耦反馈的各种连接方式及其区别目前尚未见到比较深入的 研究。而且在很多场合下，由于对光耦的工作原理理解不够深入，光 耦接法混乱往往导致电路不能正常工作本研究将详细分析光耦工 作原理，并针对光耦反馈的几种典型接法加以对比研究。1常见的几种连接方式及其工作原理常用于反馈的光耦型号有LP521 PC817等。这里以TLP521 为例，介绍这类光耦的特性。T

15、LP521的原边相当于一个发光二极管，原边电流越大，光强 越强，副边三极管的电流c越大。副边三极管电流c与原边二极管 电流If的比值称为光耦的电流放大系数，该系数随温度变化而变化， 且受温度影响较大。作反馈用的光耦正是利用原边电流变化将导致 副边电流变化来实现反馈，因此在环境温度变化剧烈的场合，由于 放大系数的温漂比较大，应尽量不通过光耦实现反馈。此外使用这 类光耦必须注意设计外围参数使其工作在比较宽的线性带内杳则 电路对运行参数的敏感度太强，不利于电路的稳定工作。通常选择TL431结合TLP521进行反馈。这时，TL431的工作 原理相当于一个内部基准为.5 V的电压误差放大器所以在其1脚

16、与3脚之间，要接补偿网络。常见的光耦反馈第1种接法，如图1所示。图中，Vo为输出电 压，Vd为芯片的供电电压。com信号接芯片的误差放大器输出脚， 或者把PWM芯片（如UC3525的内部电压误差放大器接成同相放 大器形式，com信号则接到其对应的同相端引脚。注意左边的地为 输出电压地，右边的地为芯片供电电压地，两者之间用光耦隔离。图1所示接法的工作原理如下当输出电压升高时TL431的1 脚（相当于电压误差放大器的反向输入端电压上升，3脚（相当于电压 误差放大器的输出脚电压下降，光耦TLP521的原边电流If增大， 光耦的另一端输出电流c增大，电阻R4上的电压降增大，com引 脚电压下降，占空比

17、减小输出电压减小反之，当输出电压降低时，调节过程类宅常见的第2种接法搂口图2所示。接法 的电 运放 时， 因此 两个中光耦白 压误差第1种接法不同的是，该接到芯片的误频接成同相端电位高放大圈输出端，芯片内部 相端电位的形利用的一种特性当运放输出电流过大超过运放电流输出能力 运放的输出电压值将下降，输出电流越大，输出电压下降越多。 凡采用这种接法的电路，一定要把调节过程类宅常见的第2种接法搂口图2所示。接法 的电 运放 时， 因此 两个中光耦白 压误差第1种接法不同的是，该接到芯片的误频接成同相端电位高放大圈输出端，芯片内部 相端电位的形利用的一种特性当运放输出电流过大超过运放电流输出能力 运放

18、的输出电压值将下降，输出电流越大，输出电压下降越多。 凡采用这种接法的电路，一定要把WM芯片的误差放大器的。接到固定电位上L须是同向端电位高于反向端电位，使误差放大器初始输出电压为高。图1%耦反域第，种接法图土光新反域的第Z种接法图2所示接法的工作原理是：当输出电压升高时，原边电流增大，输出电流c增大，由于Ic已经超过了电压误差放大器的电流输出能力，Cpm脚电压下降，占空比减小，输出电压减小；反之， 调节过程类似。一图3月当输在于图3中多了一个电迪鼠该电阻的作个电流，避免己4电流过小后1基本相似，不同之处飒假1额外注入一 。实际上如适当选取电阻值曲，电阻陇可以省略。,腐节过程基本上同囹接法法类

19、似，IAehA醯之间多c冬6一致。前常见 区别于输出能力，Cpm脚电压下降，占空比减小，输出电压减小；反之， 调节过程类似。一图3月当输在于图3中多了一个电迪鼠该电阻的作个电流，避免己4电流过小后1基本相似，不同之处飒假1额外注入一 。实际上如适当选取电阻值曲，电阻陇可以省略。,腐节过程基本上同囹接法法类似，IAehA醯之间多c冬6一致。前常见 区别于麻作原理UeA 0n2在 分析。基本同接法2川幄；1T3种接法中的叱 r 一个 匕尸智f ? 521的几个特Vce曲线，如图5，图6所示严作用与第性曲线作一下S5 TIXKl的L-几曲线 图A TIE1的4匕曲城由图5、图6可知，当If小于5 m

20、A时，If的微小变化都将引起 Ic与Vce的剧烈变化，光耦的输出特性曲线平缓。这时如果将光耦 作为电源反馈网络的一部分其传递函数增益非常大对于整个系统 来说，一个非常高的增益容易引起系统不稳定所以将光耦的静态工 作点设置在电流f小于5 mA是不恰当的，设置为510 mA较恰 当。此外，还需要分析光耦的c-If曲线，如图7所0示。由图7可以看出，在电流f小于10 mA时，Ic-If基本不变， 而在电流If大于10 mA之后，光耦开始趋向饱和Ic-If的值随着If 的增大而减小。对于一个电源系统来说，如果环路的增益是变化的， 则将可能导致不稳定，所以将静态工作点设置在过大处从而输出T t特性容缓T

21、 t特性容缓比值基本，口心口，.7 移，这个特性从16届曲10线是随温度勺。需靠对Ic-IflaEHEEI徵只是是温度升臀曲线整体下第7 口旧1的4-。曲线 图M TLr5Z1的410线是随温度勺。需靠对Ic-IflaEHEEI徵只是是温度升臀曲线整体下由图8可以看出，在If大于5 mA时，Ic-Ta曲线基本上是互相 平行的。根据上述分析以下针对不同的典型接法对比其特性以及适用 范围。本研究以实际的隔离半桥辅助电源及反激式电源为例说明。第1种接法中接到电压误差放大器输出端的电压是外部电压经 电阻R4降压之后得到，不受电压误差放大器电流输出能力影响，光 耦的工作点选取可以通过其外接电阻随意调节。

22、,5一TJ |HII|I ll| I II lllh.|iij瀚中泮桥辅助电源输出负载为控制板上的各类控制芯片口k与10,4上多路输出中各路的死负载j最后的实际功率大约30 w实际测一片三角波相比较力从-,得的光耦比）波形:督。对应的驱动占空勺驱动绕在.10的驱动波形有负电压部分坦声驱动信号的占空比比个驱动磁环上的夕曲可以较大，大约为按照前面的分析，令电流f的静态工作点值大约为L0 mA，对 应的光耦工作温度在）100c变化，值在2015 mA之间。一般 PWM芯片的三角波幅值大小不超过V，由此选定电阻R4的大小 为670Q,并同时确定?1431的3,5一TJ |HII|I ll| I II

23、lllh.|iij瀚中泮桥辅助电源输出负载为控制板上的各类控制芯片口k与10,4上多路输出中各路的死负载j最后的实际功率大约30 w实际测一片三角波相比较力从-,得的光耦比）波形:督。对应的驱动占空勺驱动绕在.10的驱动波形有负电压部分坦声驱动信号的占空比比个驱动磁环上的夕曲可以较大，大约为1 .0.71 .图9 光羯4脚电压波形图。半桥下管的驱动遁形对于第2种接法，一般芯片内部的电压误差放大器其最大电流 输出能力为3 mA左右，超过这个电流值误差放大器输出的最高电 压将下降。所以，该接法中，如果电源稳态占空比较大，那么电流 比较小，其值可能仅略大于mA，对应图7 ,Ib为2 mA左右。由 图6可知，Ib值较小时，微小的b变化将引起Ic剧烈变化，光耦的 增益非常大这将导致闭环网络不容易稳定而如果电源稳态占空比 比较小，光耦的4脚电压比较小对应电压误差放大器的