光耦合器器件及应用

光耦合器（或光电耦合器）基本上是两个电路之间的接口，它们在（通常）不同的电压电平下工作。光耦合器的主要优点是输入和输出电路之间的电气隔离。使用光耦合器时，输入和输出之间唯一的接触是一束光。因此，在数千兆欧的两回路之间可能存在绝缘电阻。像这样的隔离在高压应用中很有用，其中两个电路的电位可能相差几千伏。

光耦合器（或光耦合隔离器）最常见的工业用途是作为高压皮托管器件（限位开关等）和低压固态逻辑电路之间的信号转换器。光隔离器可用于信号必须在两个相互隔离的电路之间传递的任何情况。两个电路之间（即两个电路没有共同的导体）之间的完全电气隔离通常是必要的，以防止一个电路中产生的噪声传递到另一个电路。这对于高压信息收集电路和低压数字逻辑电路之间的耦合尤其必要。信息电路几乎严重暴露在噪声源中，逻辑电路不能容忍噪声信号。

在许多应用中，SCR和三端双向可控硅电源电路由敏感的电子系统控制。例如，将微处理器系统编程为打开和关闭电机、灯和加热器并不罕见。为了减少电力线噪声被感应到控制电子设备中的可能性，并在发生SCR或三端双向可控硅故障时对其进行保护，非常需要提供隔离。

理想的隔离方案应仅允许信号沿一个方向流动，应响应直流电平，并应在输入和输出电路之间提供极大的电阻。这些特性在一类称为光耦合器或光隔离器的光电器件中可用。

光耦合方法消除了对继电器控制触点或隔离变压器的需求，这是在电路之间提供电气隔离的传统方法。光耦合方法在许多应用中都非常出色，因为它摆脱了继电器和变压器的一些不太理想的特性。

光耦合器在交流或直流高压信号下工作良好。因此，采用光耦合的信号转换器有时被称为通用信号转换器。

光耦合器是一种将红外LED和光电检测器（如光电二极管、光电晶体管、达林顿对、SCR或三端双向可控硅）组合在一个封装中的器件。

图1 LED和光电二极管的自耦器

图中显示了在单个封装中组合LED和光电二极管的自耦器。它在输入侧有一个LED，在输出侧有一个光电二极管。左源电压和串联电阻设置通过LED的电流。然后。来自LED的光撞击光电二极管，这会在输出电路中产生反向电流。该反向电流在输出电阻R两端产生电压。输出电压等于输出电源电压V2减去负载电阻R两端的压降。当输入电压发生变化时，光量会波动。

光耦合器的类型：

图2 反射槽光耦合器

1.开槽光耦合器– 开槽光耦合器在LED 光源和光电晶体管光传感器之间的封装中模制了一个槽;槽内装有透明窗口，因此LED光通常可以自由到达晶体管表面，但可以通过放置在槽内的不透明物体中断或阻挡。因此，开槽光耦合器可用于各种存在检测应用，包括磁带末端检测、限位开关和液位检测。

2. 反射光耦合器– 在这里，LED和光电晶体管在封装内相互光学屏蔽，并且都朝外（方向）从封装。该结构使得光耦合链路可以通过放置在封装外短距离的反射物体（例如金属漆或胶带，甚至烟雾颗粒）来设置，与两个LED对齐。因此，反射耦合器可用于磁带位置检测、发动机轴转速计数或速度测量、烟雾或雾检测等应用。

光耦合器的特性：

电流传输比率（点击率）。光耦合器器件最重要的参数之一是其光耦合效率。通过与LED和光电晶体管（通常在红外范围内工作）在光谱上紧密匹配，可以最大化该参数。光耦合器的光耦合效率可以通过输出到输入的电流传输比（CTR）方便地指定，即输出电流Ic（在光电晶体管的集电极端测量）与流入LED的输入电流IF的比值。

入至输出隔离电压（VISO）这是输入端子和输出端子之间允许存在的最大电位差（dc）。典型值范围为 500 V 至 4 kV。

最大集电极-****极电压，VCE（最大值）。这是可以在输出晶体管上施加的最大允许直流电压。典型值可能在20 至 80 伏之间变化。

带宽。这是器件在正常模式下工作时可以有效通过光耦合器的典型最大信号频率（以kHz为单位）。典型值从 20 到 500 kHz 不等，具体取决于器件结构的类型。

响应时间。分为上升时间tr和下降时间t*。对于光电晶体管输出级，tr和tr通常在2 到 5 us 左右。

简单的隔离光耦合器使用单个光电晶体管输出级，通常采用六引脚封装，光电晶体管的基极端子在外部可用。在正常使用中，基极保持开路，在这种情况下，光耦合器的最小CTR值为20%，有效带宽为300 kHz。