光耦电路

631834619 · 发表于 2019-1-19 10:17:15

OPTOCOUPLER BASICS

光耦合器装置可简单地描述为密封的独立单元，其容纳独立供电的光学（光）

Tx

和

Rx

单元，其可以光学耦合在一起。图

1

显示了这种设备的基本形式。这里，

Tx

单元是

LED

，但

Rx

单元可以采用光电晶体管，光电

FET

，光电三端双向可控硅或其它类型的光敏半导体元件的形式

; Tx

和

Rx

单元紧密地放在一个密封的封装中。

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图
1.
光耦器器件的基本形式。

图2.典型光耦合器的基本形式和应用电路。

大多数现代光耦器件都使用光电晶体管作为其Rx单元; 由于输入（LED）和输出（光电晶体管）器件是光学耦合的，因此这种器件简称为“光耦合器”。图2显示了光耦合器的基本形式，以及一个非常简单的应用电路。这里，当SW1打开时，LED中没有电流流过，因此没有光线落在Q1的表面; 在这种情况下，Q1几乎通过零集电极电流，因此在输出电阻R2两端产生零电压。或者，当SW1闭合时，电流通过R1流过LED，并且所产生的光落在Q1的表面上，导致光电晶体管导通并在R2上产生输出电压。关于图2光耦合器的主要注意事项是其输出电流由其输入电流控制，连接到其输入的控制电路可以与输出电路完全电隔离，并且由于输入通过输出电路控制输出纯光链路- 输入和输出电路之间可以安全地存在数百伏的电位差。这种“隔离”特性是这种光耦合器的主要吸引力，通常称为隔离光耦合器。图2的简单应用电路只能用于数字输入/输出信号，但实际上，这个基本电路可以很容易地修改，以便与模拟输入/输出信号一起使用，如本文后面所示。典型的隔离光耦合器应用包括低压到高压（或反之亦然）信号耦合，计算机输出信号与外部电子电路或电动机等的接口，以及以地为参考的低压电路与浮动高压接口的接口直接由主交流电源线等驱动的电压电路。光耦合器也可用于替代许多应用中的低功率继电器和脉冲变压器。

特殊的OPTOCOUPLERS

在图2装置是一个简单的隔离光耦合器。图3和图4显示了另外两种类型的光耦合器。图3中所示的器件被称为开槽光耦合器，并且在LED光源和光电晶体管光传感器之间具有模制到封装中的槽。这里，光通常可以从LED传递到Q1而没有槽的显着衰减。但是，可以通过在槽中放置不透明物体来完全阻挡光耦合。因此，开槽光耦合器可用于各种“存在”检测应用，包括磁带末端检测，限位切换和液位检测。
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图3.开槽光耦器器件。图4.反射式光耦合器。

图4 所示的器件称为反射式光耦合器。这里，LED和Q1在封装内彼此光学屏蔽，并且都从封装面向外（朝向公共点）。该结构使得光耦合链路可以由位于封装外部短距离的反射物体（例如金属漆或带，或甚至烟雾颗粒）建立，与LED和Q1一致。因此，反射式光耦合器可用于磁带位置检测，发动机轴转速计数或速度测量，烟雾检测等应用。

OPTOCOUPLER转移比率

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图5. 在各种输出晶体管集电极电压值（V [sub]C[/sub]）下的简单光耦合器的典型I [sub]C[/sub] /I [sub]F[/sub]特性。

光耦合器设备最重要的参数之一是其光耦合效率，并且为了最大化该参数，LED和光电晶体管（通常在红外范围内工作）总是在光谱上紧密匹配。

指定光耦合效率最方便的方法是引用器件的输出 - 输入电流传输比（CTR），即光电晶体管的输出集电极电流（I [sub]C[/sub]）与正向电流（I）的比值。[sub]F[/sub]）LED。因此，CTR = I [sub]Ç[/sub] / I [sub]˚F[/sub]。在实践中，CTR可以表示为简单的数字，例如0.5，或（通过将该数字乘以100）表示为百分比数字，例如50％。

具有单晶体管输出级的简单隔离光耦合器的典型CTR值在20％至100％的范围内; 实际的CTR值取决于（除其他外）器件的输入和输出电流值以及光电晶体管的电源电压值（V [sub]C[/sub]）。图5显示了在不同V [sub]C[/sub]值下获得的三组典型输出/输入电流。

应当注意，由于LED辐射效率和光电晶体管电流增益的变化，各个光耦合器的实际CTR值可能与典型值显着不同。例如，典型CTR值为60％的光耦合器类型在单个器件中实际上可具有30％至90％的真实值。

如0.5，或（通过将该数字乘以100）表示为百分比数字，例如50％。
具有单晶体管输出级的简单隔离光耦合器的典型CTR值在20％至100％的范围内; 实际的CTR值取决于（除其他外）器件的输入和输出电流值以及光电晶体管的电源电压值（V [sub]C[/sub]）。图5显示了在不同V [sub]C[/sub]值下获得的三组典型输出/输入电流。
应当注意，由于LED辐射效率和光电晶体管电流增益的变化，各个光耦合器的实际CTR值可能与典型值显着不同。例如，典型CTR值为60％的光耦合器类型在单个器件中实际上可具有30％至90％的真实值。

其他参数

其他重要的光耦合器参数包括以下内容。
隔离电压。这是输入和输出电路之间可允许存在的最大允许直流电位。典型值在500V至4kV之间变化。
V [sub]CE[/sub]（MAX）。这是可以在输出晶体管上施加的最大允许DC电压。典型值在20V至80V之间变化。
我[sub]F[/sub]（MAX）。这是允许在输入LED中流动的最大允许直流电流。典型值从40mA到100mA不等。
带宽。这是典型的最大信号频率，当器件以正常模式工作时，可以有效地通过光耦合器。典型值在20kHz至500kHz之间变化，具体取决于器件结构的类型。

实用的OPTOCOUPLERS

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图6.典型的简单（a）达林顿合器。（b）隔离光耦

光耦合器由多个制造商生产，并且具有各种形式和样式。简单的光耦合器有六种基本形式可供选择，如图6至图8所示。其中四个（图6和7）是隔离光耦合器，其余两个是开槽光耦合器（图8（a））和反射式光耦合器（图8（b））。图9的表列出了这六个器件的典型参数值。

简单的隔离光电耦合器（图6（a））使用单个光电晶体管输出级，通常采用六引脚封装，外部提供光电晶体管的基极端子。在正常使用中，基极保持开路，在此条件下，光耦合器的最小CTR值为20％，有效带宽为300kHz。但是，光电晶体管可以通过将基极（引脚6）和发射极（引脚4）端子短接在一起而转换为光电二极管。在这种情况下，CTR值降至约0.2％，但带宽上升至约30MHz。

8（b））。图9的表列出了这六个器件的典型参数值。

简单的隔离光电耦合器（图6（a））使用单个光电晶体管输出级，通常采用六引脚封装，外部提供光电晶体管的基极端子。在正常使用中，基极保持开路，在此条件下，光耦合器的最小CTR值为20％，有效带宽为300kHz。但是，光电晶体管可以通过将基极（引脚6）和发射极（引脚4）端子短接在一起而转换为光电二极管。在这种情况下，CTR值降至约0.2％，但带宽上升至约30MHz。

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图7.典型的双（a）和四（b）隔离光耦合器。

达林顿光电耦合器（图6（b））也采用六引脚封装，外部有光电晶体管基座。由于达林顿的高电流增益，该耦合器的典型最小CTR值约为300％，但有效带宽仅为30kHz。

图7的双和四光耦合器使用单晶体管输出级，其中基极端子不在外部。

请注意，在所有四个隔离器件中，输入引脚位于封装的一侧，输出引脚位于另一侧。这种结构提供了最大可能的隔离电压值。还要注意，在图7的多通道器件中，尽管这些器件具有1.5kV的隔离电压，但是不应允许相邻通道之间存在大于500V的电位。

图8.典型的开槽（a）和反射（b）光耦合器最后，图8（b）的反射式光耦合器使用达林顿输出级，其有用带宽仅为20kHz。即便如此，当输入LED以40mA的最大电流工作时，该器件在距离表面5mm的反射范围内的典型最小CTR值仅为0.5％，反射效率为90％。

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图9.图6至8器件的典型参数值。

没有为图8的开槽和反射光耦器器件规定隔离电压值。在图8（a）中装置具有3mm左右的典型槽宽度，并且使用一个单独的输出晶体管以得到10％的开口槽的最小CTR值和300kHz的带宽。

OPTOCOUPLER使用说明

光耦合器是非常容易使用的器件，输入侧以普通LED的方式使用，输出以普通光电晶体管的方式使用。以下注释概述了显着的使用点。

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图10. LED电流必须由串联电阻限制，该电阻可以连接到阳极（a）或阴极（b）。	图11.可以通过外部二极管保护输入LED免受反向电压的影响。

光耦LED的输入电流必须通过串联的外部电阻来限制，如图10所示，该电阻可以连接在LED的阳极或阴极侧。如果要从交流电源驱动LED，或者有可能在LED上施加反向电压，则必须通过连接的外部二极管保护LED免受反向电压的影响，如图11所示。

通过将外部电阻器与器件的集电极串联，可以将光电晶体管的工作电流转换为电压。该电阻可以连接到光电晶体管的集电极或发射极，如图12所示。该电阻值越大，电路的灵敏度越大，但带宽越低。

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图12. 与光电晶体管串联的外部输出电阻可以连接到集电极（a）或发射极（b）。	[ 图13. 如果其基极可用，则可以使光电晶体管用作光电二极管（a），或者可以通过RV1（b）改变其CTR值。

在正常使用中，光电晶体管的基极端子开路使用。然而，如果需要，可以通过使用如图13（a）所示的基极端子并忽略发射极端子（或将其短接到基极）将光电晶体管转换成光电二极管。这种连接导致带宽大大增加（通常为30MHz），但CTR值大大降低（通常为0.2％）。
或者，基极端子可用于通过在基极和发射极之间连接外部电阻（RV1）来改变光耦合器的CTR值，如图13（b）的达林顿示例所示。RV1开路时，CTR值是普通达林顿光耦合器的值（通常最小为300％）; 在RV1短路时，CTR值是二极管连接的光电晶体管（通常约为0.2％）。

数字接口

光耦合器件非常适合用于数字接口应用，其中输入和输出电路由不同的电源驱动。它们可用于连接同一系列的数字IC（TTL，CMOS等）或不同系列的数字IC，或将家用计算机等的数字输出连接到电机，继电器和灯等。这种接口可以使用各种专用“数字接口”光耦器件或使用标准光耦合器实现; 图14至16示出了后一种类型的电路。
图14显示了如何使用提供非反相动作的光耦合器电路连接两个TTL电路。这里，光耦LED和限流电阻R1连接在5V正电源轨和TTL器件的输出驱动端之间（而不是TTL输出和地之间），因为TTL输出通常可以吸收相当高的电流（通常为16mA）但只能提供非常低的电流（通常为400μA）。

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图14. TTL接口。	图15. CMOS接口。

当处于逻辑0状态时，TTL IC的开路输出电压降至小于0.4V，但如果IC未配备内部上拉电阻，则可在逻辑1状态下升至仅2.4V 。在这种情况下，当TTL输出为逻辑1时，光耦LED电流不会降至零。如图所示，通过安装外部上拉电阻（R3）可以克服这种障碍。在图14电路的光耦合器光电晶体管，因为一个TTL输入需要在1.6毫安下面为800mV下拉至以确保正确的逻辑0操作从动（右手）的输入端与地TTL集成电路之间的有线。
CMOS IC输出可以同样轻松地提供或吸收电流（高达几mA）。因此，可以通过使用类似于图14的接收器配置来接口这些设备，或者它们可以使用图15中所示的源配置。在任何一种情况下，R2值必须足够大，以提供在CMOS逻辑0和逻辑1状态之间完全切换的输出电压摆幅。

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图16.计算机驱动的直流电机。

图16显示了光耦合器如何用于将计算机的输出信号（5V，5mA）连接到12V直流电机，该电机的工作电流小于1A。当计算机输出高电平时，光耦LED和光电晶体管都关闭，因此电机通过Q1和Q2驱动。当计算机输出变低时，LED和光电晶体管被驱动，因此Q1-Q2和电机被切断。通过将光耦器的输出串联在R2和Q1基极之间，可以获得此动作的相反操作，这样Q1-Q2和电机仅在计算机输出变为低电平时才会打开。

模拟接口

光耦合器可用于通过LED设置静止电流，然后用模拟信号调制该电流，将模拟信号从一个电路连接到另一个电路。

图17显示了用于制作音频耦合电路的这种技术。

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图18.具有光耦输入的简单非同步三端双向可控硅电源开关。

TRIAC INTERFACING

光耦合器的理想应用是将低压控制电路的输出（可能与其电源的一侧接地）连接到由交流电源线驱动的三端双向可控硅电源控制电路的输入端。可用于控制灯，加热器和电机的供电。图18表示这种电路的一个例子; 括号中的数字显示了使用115V AC（而不是230V）电源时应使用的元件值; 必须选择实际的三端双向可控硅开关以满足各种负载/电源要求。

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图18.具有光耦输入的简单非同步三端双向可控硅电源开关。
在图18电路给出，其中双向可控硅的初始接通点不同步到AC电力线波形的非同步的开关动作。这里，R2-D1-ZD1和C1用于开发AC衍生的10V DC电源，它可以通过Q1馈入三端双向可控硅开关，因此用于打开和关闭三端双向可控硅开关。因此，当SW1打开时，光耦合器关闭，因此零基极驱动应用于Q1，三端双向可控硅开关和负载关闭。当SW1闭合时，光耦器驱动Q1并通过R3将10V DC电源连接到三端双向可控硅开关，从而为负载施加全AC电源。

OPTOCOUPLED SCR和TRIACS

SCR（可控硅整流器）和三端双向可控硅开关元件（半导体功率开关器件）（像晶体管一样）本身是光敏的。光耦合SCR只是一个SCR和一个安装在单个封装中的LED，光耦合三端双向可控硅只是一个三端双向可控硅和一个安装在单个封装中的LED。这种装置很容易以简单和复杂的形式提供; 一些复杂的三端双向可控硅开关类型在封装中集成了干扰抑制，过零开关电路。

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图19.典型的光耦合SCR（a）和三端双向可控硅（b）。	图20.光耦合SCR /三端双向可控硅的典型特性。

图19（a）和19（b）显示了简单光耦合SCR和三端双向可控硅开关的典型概况（通常安装在六引脚DIL封装中）; 图20列出了这两个特定器件的典型参数，这些器件具有相当有限的均方根输出电流额定值，其值（在所示示例中）为SCR的300mA和三端双向可控硅的100mA。SCR器件的浪涌电流额定值为5A，脉冲宽度为100μS，占空比小于1％; 三端双向可控硅开关元件的浪涌额定值为1.2A，脉冲宽度为10μS，占空比最大为10％。
光耦合SCR和三端双向可控硅非常容易使用; 输入LED以普通LED的方式驱动，SCR /三端双向可控硅开关像普通的低功率SCR/三端双向可控硅开关一样使用。图21至23显示了使用光耦合三端双向可控硅开关的各种方法; 应选择R1以通过至少20mA的LED电流; 所有其他元件值均为230V AC电源。
在图21中，三端双向可控硅用于直接激活交流线路供电的白炽灯，其亮度额定值小于100mA，峰值浪涌电流额定值小于1.2A。

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图21.低功率灯控制。	图22.通过三端双向可控硅从机的高功率控制。

图22显示了光耦合三端双向可控硅开关如何用于激活从三端双向可控硅开关，从而激活任何所需额定功率的负载。该电路仅适用于非感应负载，如灯和加热元件，使用合适额定值的三端双向可控硅开关。

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图23.驱动感性负载。

最后，图23示出了如何修改上述电路以用于诸如电动机的感应负载。R2-C1-R3网络为三端双向可控硅开关栅极驱动网络提供一定程度的相移，以确保正确的三端双向可控硅开关触发动作，并且R4-C2形成缓冲网络，以抑制上升速率（速率）效应。

OPTOCOUPLED SSR

光耦合固态继电器（SSR）是一种可用作许多类型低功率机电继电器的优质替代品的设备。像普通继电器一样，它在输入和输出电路之间提供完全的电气隔离，其输出就像一个电气开关，在打开时具有接近无限大的电阻，在关闭时具有非常低的电阻，并且在关闭时可以通过AC或直流电流同样容易，不会遭受“失调电压”损失。
西门子是光耦SSR领域的当前市场领导者。它们的基本设计有一个IRLED输入级和一个双n沟道MOSFET输出级（与双双极晶体管级不同）在偏置时不会产生明显的失调电压降。IRLED的输出通过一组25个光电二极管耦合到MOSFET的输入端，当被点亮时，向MOSFET栅极施加15V的导通电压。
西门子系列光耦SSR中最简单的器件是LH1540AT，它采用六引脚封装，输出可作为常开（NO）单极开关。该器件的额定隔离电压为3.75kV，最大额定输出负载电压为350V。LH1540AT具有三个输出引脚，允许其两个输出IGFET串联用于交流操作，或并联用于直流操作。
当输入LED通过5mA的电流时，输出可以处理120mA的最大负载电流，并且在AC配置中使用时具有25欧姆的典型“导通”电阻，或者在DC配置中具有250mA和5欧姆。该器件的典型开/关切换速度小于1mS。
西门子光耦SSR系列中的其他器件包括具有单极或双极NC，NO或转换开关输出的器件。 NV