Author: Jackie Long

光電耦合器（Optical coupler, OC）也叫光電隔離器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦，是一種以光為信息傳輸媒介的光電轉(zhuǎn)換元件，它具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)、輸入端和輸出端之間電氣隔離、信號(hào)單向傳輸（輸出信號(hào)對(duì)輸入無(wú)影響）等優(yōu)點(diǎn)，在電路上獲得廣泛的應(yīng)用，其基本結(jié)構(gòu)如下圖的所示：

發(fā)光二極管發(fā)出光線，光敏三極管接受光線之后就產(chǎn)生光電流從輸出端流出，結(jié)合外部電路即可輸出相應(yīng)的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了'電-光-電'轉(zhuǎn)換。有些光敏三極管的基極還有引出線，可滿足溫度補(bǔ)償、檢測(cè)調(diào)制場(chǎng)合的特殊要求。

（輸出導(dǎo)通狀態(tài)下）當(dāng)解除施加到光電耦合器輸入端的電池時(shí)，輸入端的發(fā)光二極管將停止發(fā)光，由于光敏三極管不再有光線的照射而處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電壓即為外加電源的電壓VCC，即高電平。

在這個(gè)由低電平轉(zhuǎn)換為高電平過(guò)程中，所需要的時(shí)間稱(chēng)為上升沿響應(yīng)時(shí)間Tr（Rise time），有些規(guī)格書(shū)則給出低電平到高電平傳播延遲時(shí)間TPLH（Propagation delay time to logic high）

（輸出截止?fàn)顟B(tài)下）當(dāng)電池通過(guò)限流電阻施加到光電耦合器的輸入端時(shí)，輸入端的發(fā)光二極管將發(fā)光，發(fā)出的光線照射到對(duì)面的光敏三極管，光敏三極管根據(jù)光的強(qiáng)度將其轉(zhuǎn)換成光電流使輸出回路導(dǎo)通，繼而將輸出VO下拉為低電平。

在這個(gè)由高電平轉(zhuǎn)換為低電平過(guò)程中，所需要的時(shí)間稱(chēng)為下降沿響應(yīng)時(shí)間Tf（Fall time），也有些規(guī)格書(shū)由給出高電平到低電平傳播延遲時(shí)間TPHL（Propagation delay time to logic low）

這幾個(gè)時(shí)間的具體含義如下圖所示：

由于前后兩級(jí)采用光電耦合的方式，因此輸入輸出間的絕緣電阻RISO（Isolation resistance）非常大，通常最小1000M歐姆，與之相應(yīng)的參數(shù)為隔離電壓VISO（Isolation voltage）

可以看到，輸出電平與輸入電平是相反的，即輸出為高電平，則輸入為低電平，而輸出為低電平時(shí)，輸入則為高電平。當(dāng)然，我們也可以按下圖所示調(diào)整我們的電路，使輸出電平與輸入電平變化相同：

光電耦合器在正常工作時(shí)的輸入端部分如下圖所示：

外加電壓V經(jīng)限流電阻R施加到發(fā)光二極管，二極管正向?qū)ê?，即在輸入回路產(chǎn)生正向電流IF（Forward current），同時(shí)在二極管兩端產(chǎn)生正向壓降VF（LED dropout voltage），調(diào)整限流電阻R即可調(diào)節(jié)正向電流，其關(guān)系為：

正向電流最大值約為幾十毫安，實(shí)際應(yīng)用時(shí)不應(yīng)超過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大值，否則發(fā)光二極管的壽命將縮短，甚至損壞。

相反地，當(dāng)輸入端的發(fā)光二極管施加反向電壓VR（LED reverse voltage），二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，理想狀態(tài)下回路中的電流為零，但實(shí)際二極管反向截止后的電阻是有限的，因此輸入回路中還是會(huì)有一定的反向泄露電流IR（reverse current）。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，反向電壓不應(yīng)超過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的最大值，否則將導(dǎo)致二極管反向被擊穿，一般光電耦合器中這個(gè)參數(shù)的最大值約5V左右，在使用交流脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行保護(hù)。

當(dāng)輸入發(fā)光二極管的光線足以使光敏三極管導(dǎo)通時(shí)，輸出回路即產(chǎn)生回路電流，通常稱(chēng)之為集電極電流Ic（Collector current），輸出VO將被拉為低電平。光敏三極管飽和導(dǎo)通時(shí)的集電極-發(fā)射極壓降不為零，這個(gè)電壓稱(chēng)為集電極-發(fā)射極飽和電壓VCE(sat)（Collector-emitter saturation voltage）

當(dāng)光敏三極管截止時(shí)，電池的電壓將全部加在光敏三極管的集電極-發(fā)射極兩端，這時(shí)允許的最大電壓稱(chēng)為集電極-發(fā)射極電壓VCEO（Collector-emitter voltage），具體應(yīng)用時(shí)不應(yīng)超過(guò)最大值，否則三極管可能會(huì)被擊穿。

相似的，還一個(gè)電壓稱(chēng)為發(fā)射極集電極電壓VECO（emitter- Collector voltage）

實(shí)際三極管在截止時(shí)呈現(xiàn)的電阻不會(huì)是無(wú)窮大的，因此也會(huì)在輸出回路產(chǎn)生一定的集電極暗電流ICEO（Collector dark current）

如果我們?cè)谳斎攵耸┘佑幸欢l率的信號(hào)，則相應(yīng)在輸出端有對(duì)應(yīng)的信號(hào)，輸出高電平的幅度由外加電源VCC決定，這樣就可以實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，而低電平則由光敏三極管的VCEO來(lái)決定

當(dāng)在輸入端施加的交流正弦信號(hào)時(shí)，輸入輸出波形將如下圖所示：

但是很多情況下，我們需要在交流應(yīng)用中使用的光耦（如可控硅導(dǎo)通角的大小控制），即正電壓與負(fù)電壓輸入時(shí)都會(huì)有相應(yīng)的輸出，這時(shí)我們會(huì)將兩個(gè)光電耦合器按下圖所示進(jìn)行連接:

當(dāng)交流正半周輸入時(shí)，光電耦合器1的輸出導(dǎo)通，當(dāng)交流負(fù)半周輸入時(shí)，光電耦合器2的輸出導(dǎo)通，兩個(gè)部輸出分結(jié)合在一起即為完整的輸出，這就是過(guò)零檢測(cè)的基本原理，其輸入輸出波形如下圖所示：

事實(shí)上，我們也有交流輸入型的光耦可供選擇，其輸入結(jié)構(gòu)如下圖所示：

同樣，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，輸出結(jié)構(gòu)也有很多不同的類(lèi)型，如達(dá)林頓管輸出、場(chǎng)效應(yīng)管輸出型、晶閘管輸出、邏輯輸出等等

還有另外一個(gè)重要參數(shù)是電流傳輸比CTR(current transfer ratio)，是指在直流工作條件下，光耦的輸出電流與輸入電流之間的比值，如下式所示：

其中，IC即輸出端集電極負(fù)載電流，IF為輸入端二極管正向電流，如下圖的所示：

CTR有點(diǎn)類(lèi)似于三極管的電流放大倍數(shù)，也可稱(chēng)之為光耦的電流放大倍數(shù)。當(dāng)外加輸入電壓由小到大調(diào)節(jié)時(shí)，輸入電流亦相應(yīng)地增大，而輸出電流則分為三個(gè)區(qū)間：

◆ 外加電壓V較小時(shí)，由于不足以使發(fā)光二極管充分導(dǎo)通，此時(shí)的輸入電流比較小，光耦輸出端還沒(méi)有導(dǎo)通，CTR也比較小，相當(dāng)于三極管的截止?fàn)顟B(tài)；

◆ 外加電壓V增大到輸出端開(kāi)始導(dǎo)通后有一段區(qū)域，輸出端電流隨輸入端電流呈比例變化，此時(shí)的CTR與輸入電流無(wú)關(guān)的（即輸出端電流與輸入端呈比例變化），相當(dāng)于三極管的放大狀態(tài)；

◆ 外加電壓V增大后輸出端電流不再隨之增大后，此時(shí)的CTR也比較小，相當(dāng)于三極管的飽和狀態(tài)。

在放大狀態(tài)（線性區(qū)）的這一段區(qū)間，就是數(shù)據(jù)手冊(cè)上給出的CTR，比如100%，表示這段區(qū)間輸入端電流與輸出端電流的比值為1。

線性度不好的光電耦合器適宜傳輸數(shù)字信號(hào)，用于隔離輸入與輸出，而線性光耦的CTR具有良好的線性度，適合傳輸模擬信號(hào)。在開(kāi)關(guān)電源中，通常利用線性光耦合器構(gòu)成光耦反饋電路，合理設(shè)置線性光耦的輸入電流（處于線性區(qū)）即可調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。