光耦知識解析及光耦工作原理-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2021-05-14
光耦合器（opticalcoupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發光器（紅外線發光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內。
當輸入端加電信號時發光器發出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現了“電—光—電”轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優點，在數字電路上獲得廣泛的應用。
光電耦合器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。
非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關信號的傳輸，不適合于傳輸模擬量。常用的4N系列光耦屬于非線性光耦。
線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號時性能較好，能以線性特性進行隔離控制。常用的線性光耦是PC817A—C系列。
開關電源中常用的光耦是線性光耦。如果使用非線性光耦，有可能使振蕩波形變壞，嚴重時出現寄生振蕩，使數千赫的振蕩頻率被數十到數百赫的低頻振蕩依次為號調制。
由此產生的后果是對彩電，彩顯，VCD，DCD等等，會在圖像畫面上產生干擾。同時電源帶負載能力下降。在彩電，顯示器等開關電源維修中如果光耦損壞，一定要用線性光耦代換。
常用的4腳線性光耦有PC817A----C。PC111 TLP521等常用的六腳線性光耦有：LP632 TLP532 PC614 PC714 PS2031等。常用的4N25 4N26 4N35 4N36是不適合用于開關電源中的，因為這4種光耦均屬于非線性光耦。
光耦合器的主要優點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。[3]它廣泛用于電平轉換、信號隔離、級間隔離、開關電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態繼電器(SSR）、儀器儀表、通信設備及微機接口中。
當電信號送入光電耦合器的輸入端時，發光二極體通過電流而發光，光敏元件受到光照后產生電流，CE導通；當輸入端無信號，發光二極體不亮，光敏三極管截止，CE不通。對于數位量，當輸入為低電平“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽和導通，輸出為低電平“ 0”。若基極有引出線則可滿足溫度補償、檢測調制要求。這種光耦合器性能較好，價格便宜，因而應用廣泛。
光耦工作原理
耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。
光耦合器一般由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（LED），使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。
所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大提高計算機工作的可靠性。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。
光耦是隔離傳輸器件，原邊給定信號，副邊回路就會輸出經過隔離的信號。對于光耦的隔離容易理解，此處不做討論。
以一個簡單的圖（圖.1）說明光耦的工作：原邊輸入信號 Vin，施加到原邊的發光二極管和 Ri 上產生光耦的輸入電流If，If 驅動發光二極管，使得副邊的光敏三極管導通，回路VCC、RL產生Ic,Ic 經過RL產生Vout，達到傳遞信號的目的。原邊副邊直接的驅動關聯是CTR（電流傳輸比），要滿足 Ic≤If*CTR。
光耦一般會有兩個用途：線性光耦和邏輯光耦，如果理解？
工作在開關狀態的光耦副邊三極管飽和導通，管壓降<0.4V，Vout 約等于 Vcc（Vcc-0.4V左右），Vout大小只受Vcc大小影響。此時Ic
工作在線性狀態的光耦，Ic=If*CTR，副邊三極管壓降的大小等于 Vcc-Ic*R L ，Vout=Ic*RL=(Vin-1.6V)/Ri * CTR*RL ，Vout大小直接與Vin成比例，一般用于反饋環路里面 (1.6V是粗略估計，實際要按器件資料，后續 1.6V 同) 。
對于光耦開關和線性狀態可以類比為普通三極管的飽和放大兩個狀態。
所以通過分析實際的電路，除去隔離因素，用分析三極管的方法來分析光耦是一個很有效的方法。此方法對于后續分析光耦的CTR參數，還有延遲參數都有助于理解。
1、光耦能否可靠導通實際計算
舉例分析，例如圖.1 中的光耦電路，假設Ri=1k,Ro=1k,光耦 CTR=50%，光耦導通時假設二極管壓降為1.6V，副邊三極管飽和導通壓降 Vce=0.4V。輸入信號Vi是5V的方波，輸出Vcc是3.3V。Vout能得到3.3V的方波嗎？
我們來算算：If=(Vi-1.6V)/Ri=3.4mA
副邊的電流限制：Ic’≤ CTR*If = 1.7mA
假設副邊要飽和導通，那么需要 Ic’= (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA，大于電流通道限制，所以導通時，Ic 會被光耦限制到 1.7mA， Vout = Ro*1.7mA=1.7V，所以副邊得到的是1.7V的方波。
為什么得不到3.3V的方波，可以理解為圖.1 光耦電路的電流驅動能力小，只能驅動1.7mA的電流，所以光耦會增大副邊三極管的導通壓降來限制副邊的電流到1.7mA。
解決措施：增大 If；增大 CTR；減小 Ic。對應措施為：減小 Ri 阻值；更換大 CTR 光耦；增大 Ro 阻值。
將上述參數稍加優化，假設增大 Ri 到 200 歐姆，其他一切條件都不變，Vout 能得到3.3V的方波嗎？
重新計算：If=(Vi–1.6V)/Ri=17mA；副邊電流限制 Ic’≤ CTR*If = 8.5mA，遠大于副邊飽和導通需要的電流(2.9mA)，所以實際 Ic = 2.9mA。所以，更改 Ri 后，Vout 輸出 3.3V 的方波。
開關狀態的光耦，實際計算時，一般將電路能正常工作需要的最大 Ic 與原邊能提供的最小 If 之間 Ic/If 的比值與光耦的 CTR 參數做比較，如果 Ic/If ≤CTR，說明光耦能可靠導通。一般會預留一點余量（建議小于 CTR 的 90%）。
2、CTR 受那些因素影響
1)光耦本身：以8701為例，CTR在Ta=25℃/If=16mA 時，范圍是(15%~35%)
說明8701這個型號的光耦，不論何時/何地，任何批次里的一個樣品，只要在Ta=25℃/If=16mA 這個條件下，CTR是一個確定的值，都能確定在 15%~35%以內。 計算導通時，要以下限進行計算，并且保證有余量。計算關斷時要以上限。
2)殼溫影響：
Ta=25℃條件下的 CTR 下限確定了，但往往產品里面溫度范圍比較大，比如光耦會工作在（-5~75℃）下，此種情況下 CTR 怎么確定？還是看 8701 的手冊：有 Ta-CTR 關系圖：
從圖中看出以25度的為基準，在其他條件不變的情況下，-5度下的CTR是25度下的 0.9 倍左右，75度下最小與25度下的CTR持平。
所以在 16mA/(-5~75℃)條件下，8701的CTR 最小值是 15%*0.9=13.5%
3) 受If影響。
假設如果實際的If是3.4mA，那么如何確定CTR在If=3.4mA / Ta=(-5~75℃)條件下的最小CTR值。
查看8701的If-CTR曲線。圖中給出了三條曲線，代表抽取了三個樣品做測試得到的If-CTR曲線，實際只需要一個樣品的曲線即可。
上述CTR影響到信號能不能傳過去的問題，類似于直流特性。下面主要分析光耦的延時特性，即光耦能傳送多快信號。
涉及到兩個參數：光耦導通延時tplh和光耦關斷延時tphl，以8701為例 ：在If=16mA/Ic=2mA時候，關斷延時最大0.8uS，導通延時最大1.2uS。所以用 8701 傳遞 500k以上的開關信號就需要不能滿足。
下圖是一個實測的延時波形（ch4原邊（紅），ch2副邊（綠））
對于tp參數的設計更應該考慮余量，因為tp參數也受其他因素影響較多。
1) 受溫度影響
8701的Ta-If特征曲線：溫度升高，開關延時都會增大。
2) 受原邊If大小影響
8701的tp-If特征曲線：If增大，關斷延時減小，開通延時增大
3) 受副邊Ic大小影響
8701 的 tp-R L 特征曲線：R L 減小，導通延時增大明顯
針對具體電路的特點，計算最大延時時也是采用與 CTR 一樣的方法，通過器件資料給定特定環境下的準確范圍，然后逐一通過三個曲線確定具體電路下的光耦最大延時。
注：同一個型號的光耦 CTR/延時特性是一致的，不同光耦的延時特性不盡相同，所以需要根據所用光耦的用戶手冊來確定。
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