什么是光耦及其工作原理？

什么是光耦及其工作原理?

如果你曾經(jīng)拆開(kāi)任何一個(gè)手機(jī)充電器或開(kāi)關(guān)電源，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些很小的黑色IC封裝，引腳數(shù)量不尋常，大多為4或6個(gè)，都有SMD和通孔兩種。更不尋常的是，這些部件通常被發(fā)現(xiàn)在隔離槽和縫隙上，這使得它們的用途更加神秘。

這些組件稱(chēng)為光電耦合器或光隔離器或者干脆視光它們?cè)陔娐返母綦x部分之間傳遞信號(hào)起著至關(guān)重要的作用。他們用光在電路之間傳遞信號(hào)。

什么是光耦及其工作原理

正如我們已經(jīng)了解到的晶體管，一個(gè)理想的晶體管將不允許任何電流通過(guò)，如果基腳不觸發(fā)。但是，如果你小心地去蓋一個(gè)普通的分立晶體管，并在集電極和發(fā)射極引線上施加電壓，你會(huì)注意到仍然有微小的電流流過(guò)!這是因?yàn)楣庹赵诒┞兜木w管芯片底部。

這意味著光子實(shí)際上能夠撞擊摻雜半導(dǎo)體材料中的空穴和電子。這就引出了一些非常有趣的可能性，第一種是光晶體管，基本上是一種沒(méi)有基極引線的雙端晶體管。它們看起來(lái)很像二極管，而且包裝清晰。在這里，光作為基極電流。光電二極管以非常相似的方式工作;它們根據(jù)照射到它們身上的光的多少來(lái)改變它們的“阻力”。

光電二極管和晶體管被用在像近距離傳感器這樣的東西上，根據(jù)照射在這些設(shè)備上的光的量來(lái)檢測(cè)這些設(shè)備上電壓或電流的微小變化。

如果我們能把一個(gè)LED和一個(gè)光電晶體管放在一個(gè)封閉的管里，來(lái)自LED的光(當(dāng)然，假設(shè)它是正確驅(qū)動(dòng)的)將照亮光電晶體管的“基座”并使其導(dǎo)電。這給我們留下了一個(gè)可以控制開(kāi)關(guān)元件而不需要任何物理接觸的裝置!這樣的設(shè)備已經(jīng)存在，正如您所猜測(cè)的，它是光耦!

光耦輸入和輸出

光耦合器有許多不同的形狀、尺寸和速度(稍后將討論)，但大多數(shù)具有相同的基本特性-二極管輸入和開(kāi)關(guān)元件輸出。

這種二極管和其他LED很相似，只是你看不見(jiàn)光線(首先是因?yàn)樗b在一個(gè)密封的塑料包裝中，其次是因?yàn)樗饕?a href="http://www.ttokpm.com/tags/紅外/" target="_blank">紅外的)。它要求驅(qū)動(dòng)的電流和電壓與普通LED要求的相同，即幾伏和幾十毫安。

下面的動(dòng)畫(huà)將幫助您理解工作。這里使用的光耦是MCT2E公司光電晶體管IC。如你所見(jiàn)，LED的邏輯輸入控制晶體管的輸出。在這個(gè)集成電路中，輸出端由晶體管組成，但在任何情況下都必須如此。

光電晶體管的輸出端有點(diǎn)有趣，因?yàn)樗ǔＳ蒒PN型晶體管組成，如上圖所示，但有時(shí)它也可以是SCR或TRIAC，有時(shí)甚至是完全邏輯兼容的輸出!

要記住的一件大事是，由于基極基本上是由光驅(qū)動(dòng)的，所以“基極電流”非常非常非常低——你不能期望這些類(lèi)型的晶體管完全飽和，而且由于基極電流很小，上升和下降的時(shí)間通常慢得可憐，就像我從艱難的道路上學(xué)到的那樣。當(dāng)然，邏輯輸出(和匹配的速度)光是可用的，但需要一個(gè)單獨(dú)的電源輸出側(cè)。

光輸出的好處是，由于它與輸入端完全電流隔離，所以它可以在任何電壓下浮動(dòng)——或者換句話說(shuō)，它就像一個(gè)浮動(dòng)的“開(kāi)關(guān)”，雖然不是一個(gè)很好的開(kāi)關(guān)。

例如，你可以把晶體管的輸出放在低邊，并在集電極上加上一個(gè)拉高，這樣當(dāng)二極管被點(diǎn)亮?xí)r，晶體管就會(huì)把集電極拉低。你也可以把晶體管放在高邊，在發(fā)射極和輸出地之間加一個(gè)電阻，這樣當(dāng)輸入變高時(shí)，發(fā)射極的輸出也會(huì)很高。

但請(qǐng)注意，由于基極驅(qū)動(dòng)的限制，大多數(shù)普通的光電管都有很高的飽和電壓，有時(shí)在1伏左右!

由于其速度慢，常規(guī)的光被用作電源反饋回路的一部分，并附加了完全隔離的好處。

正如你可能已經(jīng)猜到的，光電管不能做變壓器能提供的電力。雖然變壓器可以為隔離的電路供電，但用目前的技術(shù)，我們不能通過(guò)光有效地傳輸電力。

但是光電管做的是變壓器不能做的事情——在電路之間傳遞信號(hào)非常高效和迅速，而不需要單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器。我們可以把一個(gè)光電管的輸入直接連接到一個(gè)微控制器的引腳上，但是對(duì)于信號(hào)轉(zhuǎn)換器，我們不能這樣做!

實(shí)用光耦建議

對(duì)于所有“慢”的目的，即幾千赫茲的信號(hào)，我建議使用PC817型，一種非常常見(jiàn)的單光器件，采用DIP4或SMD封裝。向輸入端提供至少5mA。

對(duì)于更高的速度，我推薦TLP117，它有一個(gè)反向的邏輯輸出，但在輸出端需要5V電源。我得到了10微秒的脈沖，應(yīng)該可以告訴你它的速度!

雖然閱讀整個(gè)數(shù)據(jù)表似乎無(wú)關(guān)緊要，但最好還是實(shí)際操作。

其他光耦合器件

基于同樣的技術(shù)，我們發(fā)現(xiàn)了一系列有用的設(shè)備-光SCR和光三位一體。光三端集成電路通常被稱(chēng)為固態(tài)繼電器或SSL。它們基本上就像普通的繼電器一樣，但是使用光來(lái)觸發(fā)熱側(cè)雙向晶閘管，這比繼電器線圈消耗的電流要少得多。

一個(gè)缺點(diǎn)是半導(dǎo)體器件容易發(fā)生故障短路，而機(jī)電式繼電器則失效斷開(kāi)。在關(guān)鍵應(yīng)用程序中，這是需要記住的。

光開(kāi)關(guān) 另一方面，通常用于從隔離信號(hào)觸發(fā)大功率SCR。

審核編輯：湯梓紅