光耦合器器件及應(yīng)用

光耦合器（或光電耦合器）基本上是兩個(gè)電路之間的接口，它們在（通常）不同的電壓電平下工作。光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是輸入和輸出電路之間的電氣隔離。使用光耦合器時(shí)，輸入和輸出之間唯一的接觸是一束光。因此，在數(shù)千兆歐的兩回路之間可能存在絕緣電阻。像這樣的隔離在高壓應(yīng)用中很有用，其中兩個(gè)電路的電位可能相差幾千伏。

光耦合器（或光耦合隔離器）最常見的工業(yè)用途是作為高壓皮托管器件（限位開關(guān)等）和低壓固態(tài)邏輯電路之間的信號轉(zhuǎn)換器。光隔離器可用于信號必須在兩個(gè)相互隔離的電路之間傳遞的任何情況。兩個(gè)電路之間（即兩個(gè)電路沒有共同的導(dǎo)體）之間的完全電氣隔離通常是必要的，以防止一個(gè)電路中產(chǎn)生的噪聲傳遞到另一個(gè)電路。這對于高壓信息收集電路和低壓數(shù)字邏輯電路之間的耦合尤其必要。信息電路幾乎嚴(yán)重暴露在噪聲源中，邏輯電路不能容忍噪聲信號。

在許多應(yīng)用中，SCR和三端雙向可控硅電源電路由敏感的電子系統(tǒng)控制。例如，將微處理器系統(tǒng)編程為打開和關(guān)閉電機(jī)、燈和加熱器并不罕見。為了減少電力線噪聲被感應(yīng)到控制電子設(shè)備中的可能性，并在發(fā)生SCR或三端雙向可控硅故障時(shí)對其進(jìn)行保護(hù)，非常需要提供隔離。
理想的隔離方案應(yīng)僅允許信號沿一個(gè)方向流動(dòng)，應(yīng)響應(yīng)直流電平，并應(yīng)在輸入和輸出電路之間提供極大的電阻。這些特性在一類稱為光耦合器或光隔離器的光電器件中可用。

光耦合方法消除了對繼電器控制觸點(diǎn)或隔離變壓器的需求，這是在電路之間提供電氣隔離的傳統(tǒng)方法。光耦合方法在許多應(yīng)用中都非常出色，因?yàn)樗鼣[脫了繼電器和變壓器的一些不太理想的特性。

光耦合器在交流或直流高壓信號下工作良好。因此，采用光耦合的信號轉(zhuǎn)換器有時(shí)被稱為通用信號轉(zhuǎn)換器。

光耦合器是一種將紅外LED和光電檢測器（如光電二極管、光電晶體管、達(dá)林頓對、SCR或三端雙向可控硅）組合在一個(gè)封裝中的器件。

圖1LED和光電二極管的自耦器

圖中顯示了在單個(gè)封裝中組合LED和光電二極管的自耦器。它在輸入側(cè)有一個(gè)LED，在輸出側(cè)有一個(gè)光電二極管。左源電壓和串聯(lián)電阻設(shè)置通過LED的電流。然后。來自LED的光撞擊光電二極管，這會在輸出電路中產(chǎn)生反向電流。該反向電流在輸出電阻R兩端產(chǎn)生電壓。輸出電壓等于輸出電源電壓V2減去負(fù)載電阻R兩端的壓降。當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，光量會波動(dòng)。

光耦合器的類型：

圖2反射槽光耦合器

1.開槽光耦合器–開槽光耦合器在LED光源和光電晶體管光傳感器之間的封裝中模制了一個(gè)槽;槽內(nèi)裝有透明窗口，因此LED光通?？梢宰杂傻竭_(dá)晶體管表面，但可以通過放置在槽內(nèi)的不透明物體中斷或阻擋。因此，開槽光耦合器可用于各種存在檢測應(yīng)用，包括磁帶末端檢測、限位開關(guān)和液位檢測。

2.反射光耦合器–在這里，LED和光電晶體管在封裝內(nèi)相互光學(xué)屏蔽，并且都朝外（方向）從封裝。該結(jié)構(gòu)使得光耦合鏈路可以通過放置在封裝外短距離的反射物體（例如金屬漆或膠帶，甚至煙霧顆粒）來設(shè)置，與兩個(gè)LED對齊。因此，反射耦合器可用于磁帶位置檢測、發(fā)動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)或速度測量、煙霧或霧檢測等應(yīng)用。

光耦合器的特性：

電流傳輸比率（點(diǎn)擊率）。光耦合器器件最重要的參數(shù)之一是其光耦合效率。通過與LED和光電晶體管（通常在紅外范圍內(nèi)工作）在光譜上緊密匹配，可以最大化該參數(shù)。光耦合器的光耦合效率可以通過輸出到輸入的電流傳輸比（CTR）方便地指定，即輸出電流Ic（在光電晶體管的集電極端測量）與流入LED的輸入電流IF的比值。

入至輸出隔離電壓（VISO）這是輸入端子和輸出端子之間允許存在的最大電位差（dc）。典型值范圍為500V至4kV。

最大集電極-發(fā)射極電壓，VCE（最大值）。這是可以在輸出晶體管上施加的最大允許直流電壓。典型值可能在20至80伏之間變化。

帶寬，這是器件在正常模式下工作時(shí)可以有效通過光耦合器的典型最大信號頻率（以kHz為單位）。典型值從20到500kHz不等，具體取決于器件結(jié)構(gòu)的類型。

響應(yīng)時(shí)間，分為上升時(shí)間tr和下降時(shí)間t*。對于光電晶體管輸出級，tr和tr通常在2到5us左右。

簡單的隔離光耦合器使用單個(gè)光電晶體管輸出級，通常采用六引腳封裝，光電晶體管的基極端子在外部可用。在正常使用中，基極保持開路，在這種情況下，光耦合器的最小CTR值為20%，有效帶寬為300kHz。