光耦合電路的工作原理、類型及應(yīng)用

今天給大家分享的是光耦合器。

主要是關(guān)于：光耦合器工作原理、光耦合器類型、光耦合器的工作模式、光耦合器的作用、光耦合器的應(yīng)用。

一、光耦合器

光耦合器是在兩個(gè)隔離電路之間傳輸電信號(hào)的電子元件，也就是說(shuō)將電信號(hào)從一個(gè)電路傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電路。（具體的如下圖所示。）

光耦合器

光耦合器也稱為光隔離器、光耦合器或光隔離器。

通常在電路中，尤其是低電壓或高噪聲敏感電路中，光耦合器用于隔離電路以防止電氣碰撞機(jī)會(huì)或排除不需要的噪聲。

二、光耦耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

光耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

上圖為光耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。左側(cè)的 1引腳和 2 引腳外露，是一個(gè) LED。LED向光敏三極管發(fā)出紅外光在右側(cè)。

光電晶體管是通過(guò)其集電極和發(fā)射極來(lái)切換輸出電路，在這一點(diǎn)上與典型的 BJT 晶體管相同。

LED 的強(qiáng)度直接控制光電晶體管，因?yàn)閮蓚€(gè)獨(dú)立的電路可以由光耦合器控制。

另外，光電晶體管和紅外 LED之間的空間是透明的非導(dǎo)電材料，隔離了兩個(gè)不同的電路。LED 和光電晶體管之間的中空空間可以使用玻璃、空氣或透明塑料制成，電氣隔離要高得多，通常為10 kV或更高。

三、光耦合器工作原理

光耦合器由作為 LED 的發(fā)射器和作為光敏元件的接收器組成。

當(dāng) LED 發(fā)出光并且光照射到光電傳感器（光電二極管、光電晶體管、PhotoTriac）上時(shí)，光電傳感器開(kāi)始流動(dòng)電流。在這個(gè)系統(tǒng)中，輸入光與輸出端的電流成正比。

光耦合器工作原理

當(dāng)給 LED 供電時(shí)，LED 發(fā)光，光線落在光電晶體管的基極上，光落在光電晶體管的基極上后，將被激活，并且可以控制與晶體管相連的輸出電路。

這里輸入電路只連接光耦的 LED 引腳，輸出電路連接光電晶體管，輸入和輸出電路完全電氣隔離。

光耦合器工作原理動(dòng)圖

四、光耦合器的工作模式

1、飽和模式

在飽和模式下，LED 將打開(kāi)或關(guān)閉，因此，輸出晶體管完全關(guān)閉或完全打開(kāi)，這意味著導(dǎo)通或非導(dǎo)通模式。

此模式用于需要保護(hù)微控制器引腳免受輸出電路高壓影響的地方。例如，在使用微控制器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，電機(jī)需要高電流和高電壓。在此模式下，電機(jī)將完全開(kāi)啟或關(guān)閉。

2、線性模式

在這種模式下，LED 會(huì)得到一個(gè)變化的信號(hào)脈沖。LED 光線通過(guò)電壓或信號(hào)樣本來(lái)改變或控制，然后光電晶體管還為輸出提供可變傳導(dǎo)。

用于開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 或控制需要在輸出端進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)的不同電路。

3、光電二極管與光電晶體管光耦合器

光電二極管光電耦合器在電流和光之間的線性關(guān)系上優(yōu)于光電晶體管光電耦合器。盡管光電晶體管光耦合器可以通過(guò)改變進(jìn)入光電晶體管基極的 LED 光束來(lái)傳遞寬頻率的模擬音頻信號(hào)。當(dāng)光束到達(dá)其基極時(shí)，晶體管的輸出會(huì)發(fā)生變化以放大。但在高頻處可能會(huì)出現(xiàn)一些失真。

盡管光電二極管的輸出信號(hào)幅度遠(yuǎn)小于光電晶體管提供的輸出，但光電二極管光耦的輸入光和輸出電流關(guān)系在大多數(shù)音頻和一些數(shù)字信號(hào)中都很好。

光電二極管與光電晶體管光耦合器

五、光耦合器類型

1、光晶體管光電耦合器

基于晶體管的光耦合器用于直流電路相關(guān)的隔離。

在上圖中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯示在光電晶體管光電耦合器內(nèi)部。晶體管類型可以 PNP，也可以是 NPN。

根據(jù)輸出引腳的可用性，光電晶體管可以進(jìn)一步分為兩種類型。在左邊的第二張圖片中，有一個(gè)額外的引腳輸出，在內(nèi)部與晶體管的基極相連。

該引腳 6 用于控制光電晶體管的靈敏度。該引腳通常用于使用高阻值電阻與地連接或負(fù)極連接。在這種配置中，可以有效地控制由于噪聲或電氣瞬變引起的誤觸發(fā)。

此外，在使用基于光電晶體管的光耦合器之前，必須知道晶體管的最大額定值。PC816、PC817、LTV817、K847PH是少數(shù)廣泛使用的基于光電晶體管的光耦合器。

2、光達(dá)林頓晶體管光耦合器

在上圖中，有兩種類型的符號(hào)，顯示了基于光達(dá)林頓晶體管的光耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

達(dá)林頓晶體管是兩個(gè)晶體管對(duì)，其中一個(gè)晶體管控制另一個(gè)晶體管基極。在這種配置中，達(dá)林頓晶體管提供高增益能力。像往常一樣，LED 發(fā)出紅外 LED 并控制對(duì)晶體管的基極。

這種類型的光耦也用于直流電路相關(guān)領(lǐng)域的隔離。第 6 個(gè)引腳在內(nèi)部連接到晶體管的基極，用于控制晶體管的靈敏度。4N32、4N33、H21B1、H21B2、H21B3是少數(shù)基于光達(dá)林頓的光耦合器示例。

3、基于 光三端雙向晶閘管的光耦合器

基于 光三端雙向晶閘管的光耦合器

光管三端雙向晶閘主要用于需要基于 AC 的控制或開(kāi)關(guān)的場(chǎng)合。LED 可以使用 DC 控制，三端雙向晶閘 用于控制 AC。

在這種情況下，光耦合器也提供了出色的隔離。這是一個(gè)雙向可控硅應(yīng)用程序?；诠馊穗p向晶閘的光耦合器示例是IL420、4N35等。

四、基于晶閘管的光耦合器

基于晶閘管的光耦合器

SCR 代表可控硅整流器，SCR也稱為晶閘管。

與其他光耦合器一樣，LED 發(fā)射紅外線。可控硅由 LED 的強(qiáng)度控制?；诠怆娍煽毓璧墓怆婑詈掀?，用于交流相關(guān)電路。

基于光 SCR 的光耦合器的幾個(gè)例子是：-MOC3071、IL400、MOC3072等。

六、光耦合器的作用

1、保護(hù)高敏感電路免受高壓電路

如果你需要使用帶有微控制器的命令來(lái)驅(qū)動(dòng)高壓電機(jī)，那么光耦合器將為開(kāi)關(guān)系統(tǒng)提供電機(jī)和微控制器輸出之間的完全電氣隔離連接。

2、防止高壓尖峰

光耦合器還用作具有比保險(xiǎn)絲更先進(jìn)的功能的保險(xiǎn)絲。在電路中，光耦合器用于使用數(shù)字信號(hào)或使用非常低的電壓來(lái)切換系統(tǒng)，但如果出現(xiàn)電壓尖峰或出現(xiàn)浪涌電流，則整個(gè)輸出電路將不受影響，因?yàn)楣怦詈掀鲀H損壞并停止將當(dāng)前傳遞到下一部分。

3、使用光耦合器檢測(cè)交流電源的過(guò)零

由于響應(yīng)時(shí)間非?？欤{秒級(jí)），光耦合器的開(kāi)關(guān)非?？?，它被廣泛用于通過(guò)整流器檢測(cè)交流電源的過(guò)零，并且通過(guò)使用這個(gè)數(shù)字信號(hào)可以找到我們需要的波形變化。

使用光耦合器檢測(cè)交流電源的過(guò)零

4、用于消除信號(hào)中的電噪聲

七、光耦合器的應(yīng)用

直流電路中使用的光耦合器很少，交流相關(guān)操作中使用的光耦合器也很少。由于光耦不允許兩側(cè)直接電連接，所以光耦的主要應(yīng)用是隔離兩個(gè)電路。

從切換其他應(yīng)用程序，就像可以使用晶體管來(lái)切換應(yīng)用程序一樣，可以使用光耦合器。它可用于各種與微控制器相關(guān)的操作，其中需要來(lái)自高壓電路的數(shù)字脈沖或模擬信息，光耦合器可用于在這兩者之間實(shí)現(xiàn)出色的隔離。

光耦可用于交流檢測(cè)、直流控制相關(guān)操作。下面為光耦合器的一些應(yīng)用。

1、用于開(kāi)關(guān)直流電路的光耦合器：

用于開(kāi)關(guān)直流電路的光耦合器

在上面的電路中，使用了基于光電晶體管的光耦合器電路，是一個(gè)典型的晶體管開(kāi)關(guān)。

在原理圖中，使用了基于低成本光電晶體管的光電耦合器PC817。紅外線LED將由 S1 開(kāi)關(guān)控制。當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，9V 電池電源將通過(guò)限流電阻 10k 為 LED 提供電流。強(qiáng)度由 R1 電阻控制。如果我們改變值并降低電阻，LED的強(qiáng)度會(huì)很高，使晶體管增益很高。

另一方面，晶體管是由內(nèi)部紅外LED 控制的光電晶體管，當(dāng) LED 發(fā)出紅外光時(shí)，光電晶體管將接觸，VOUT 將為 0，關(guān)閉連接在其上的負(fù)載。根據(jù)數(shù)據(jù)表，晶體管的集電極電流為 50mA，R2 提供 VOUT 5v，R2 是一個(gè)上拉電阻。

在這種配置中，基于光電晶體管的光耦合器可以與微控制器一起用于檢測(cè)脈沖或中斷。

2、用于檢測(cè)交流電壓的光耦合器：

用于檢測(cè)交流電壓的光耦合器

這里顯示了另一個(gè)電路來(lái)檢測(cè)交流電壓。紅外線 LED 使用兩個(gè) 100k 電阻控制，使用兩個(gè) 100k 電阻代替一個(gè) 200k 電阻是為了在短路相關(guān)條件下提供額外的安全性。LED 連接在墻上插座線 (L) 和中性線 (N) 上。當(dāng)按下 S1 時(shí)，LED 開(kāi)始發(fā)射紅外線。光電晶體管做出響應(yīng)并將 VOUT 從 5V 轉(zhuǎn)換為 0V。

在這種配置中，光耦合器可以跨低壓電路連接，例如需要交流電壓檢測(cè)的微控制器單元，輸出將產(chǎn)生方形高到低脈沖。

3、使用直流電壓控制交流電路的光耦合器：

使用直流電壓控制交流電路的光耦合器

在上面電路中，LED 再次由 9V 電池通過(guò) 10k 電阻和開(kāi)關(guān)的狀態(tài)來(lái)控制。另一方面，使用基于光電 TRIAC 的光耦合器，從 220V 交流插座控制交流燈。68 R 電阻用于控制 BT136 TRIAC，由光耦單元內(nèi)部的光電 TRIAC 控制。

這種配置用于控制使用低壓電路的電器。IL420 用在上面的原理圖中，是一個(gè)基于光 TRIAC 的光耦合器。

除了這種類型的電路之外，還可以在 SMPS 中使用光耦合器，將次級(jí)側(cè)短路或過(guò)流狀況信息發(fā)送到初級(jí)側(cè)。

審核編輯：湯梓紅