光耦的作用及工作原理.docx
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光耦的作用及工作原理
光耦的作用及工作原理
光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。
光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成：
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
光耦合器的主要优点是：
信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。
光耦合器是70年代发展起来的新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。
在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。
学习笔记：
光耦的主要作用就是隔离作用，如信号隔离或光电的隔离。
隔离能起到保护的作用，如一边是微处理器控制电路，另一边是高电压执行端，如市电启动的电机，电灯等等，就可以用光耦隔离开。
当两个不同型号的光耦只有负载电流不同时，可以用大负载电流的光耦代替小负载电流的光耦。
以六脚光耦TLP641J为例，说明其原理。
一个光控晶闸管（photo-thyristor）耦合（coupleto）一个砷化镓（galliumarsenide）红外发光二极管（diode）组成。
左边1和2脚是发光二极管，当外加电压后，驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，以此来触发光控晶闸管。
光控晶闸管的特点是门极区集成了一个光电二极管，触发信号源与主回路绝缘，它的关键是触发灵敏度要高。
光控晶闸管控制极的触发电流由器件中光生载流子提。
光控晶闸管阳极和阴极间加正压，门极区若用一定波长的光照射，则光控晶闸管由断态转入通态。
为提高光控晶闸管触发灵敏度，门极区常采用放大门极结构或双重放大门极结构。
为满足高的重加电压上升率，常采用阴极发射极短路结构。
小功率光控晶闸管常应用于电隔离，为较大的晶闸管提供控制极触发；也可用于继电器、自动控制等方面。
大功率光控晶闸管主要用于高压直流输电。
当1和2脚加上5V以上电源后，就能使发光管发光，驱动光控晶闸管进入通态，此时，5和4脚构成一个电阻，阻值大约为10K。
当1和2不加电压时，则4和5可以看成一个无穷大的电阻。
2、pc817是常用的线性光藕，在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响。
<光耦pc817应用电路图>
当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。
普通光电耦合器只能传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。
线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。
PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。
光耦的原理,参数,特点及作用
光电耦合器（以下简称光耦）是一种发光器件和光敏器件组成的光电器件。
它能实现电—光—电信号的变换，并且输入信号与输出信号是隔离的。
目前极大多数的光耦输入部分采用砷化镓红外发光二极管，输出部分采用硅光电二极管、硅光电三极管及光触发可控硅。
这是因为峰值波长900～940nm的砷化镓红外发光二极管能与硅光电器件的响应峰值波长相吻合，可获得较高的信号传输效率。
光耦的结构
光耦的内部结构（剖面）如图1所示。
光耦输入部分大都是红外发光二极管，输出部分有不同的光敏器件，如图2所示。
这里要说明的是，图2（c）的输入部分有两个背对背的红外发光二极管，它用于交流输入的场合；图2（d）采用达林顿输出结构，它可使输出获得较大的电流；图2（e）、2（f）的输出由光触发双向可控硅组成，它们主要用来驱动交流负载。
图2（e）与图2（f）的差别是图2（f）有过零触发控制（图中的“ZC”即“过零”的意思），而图2（e）没有过零触发控制电路。
基本电路
光耦的基本电路如图3所示。
图3（a）的负载电阻RL接在发射极及地之间，图3（b）的负载电阻RL接在电源Vdd与集电极之间。
在图3（a）中，输入端加上Vcc电压，经限流电阻Rin后，有一定的电流IF流经红外发光二极管，IF与Vcc、发光二极管的正向压降VF及Rin的关系为：
IF=（Vcc-VF）/Rin。
式中的VF取1.3V。
IF的最大值由资料给出（一般工作时IF≤10mA）。
发光二极管发光后，光电三极管导通，集电极电流Ic由Vdd经光电三极管流过RL到地，使输出电压Vout=Ic×RL（或Vout=Vdd-VCE，VCE为光电三极管的管压降）。
图3（b）的工作原理与图3（a）相同，不再重复。
图3中输入、输出也可用各自的地。
从图3（a）可以看出；输入端不加Vcc电压，输出端Vout=0V，输入端加了Vcc电压，负载得电，这个功能相当于“继电器”。
如果在输入端加幅值为5V的脉冲（如图4所示），输出端Vdd=12V，RL=10kΩ，则输出的脉冲幅值接近12V，从这一功能来看，相当于“变压器”；若输入电压从0跃变到+5V，输出则从0跃变到接近12V，它又可用作电平转换。
特点及应用范围
光耦的主要特点：
输入与输出之间绝缘（绝缘电压可达数千伏）；信号传输为单方向，输出信号不会对输入信号有影响；能传输模拟信号也可传输数字信号；抗干扰能力强；体积小、寿命长；由于无触头，因此抗振性强。
近年来由于生产工艺改进，SMT的发展，开发出性能更好、尺寸更小的贴片式光耦，它由DIP6管脚封装改进成4管脚封装，不仅改小尺寸，并且减小了干扰，如图5所示，但有一些公司其管脚仍按6管脚排列，
如图2所示。
顶面有圆圈者为第1管脚，如图6所示。
由于该类器件有上述特点，它主要应用于隔离电路、开关电路、逻辑电路、信号长线传输、线性放大电路、隔离反馈电路、控制电路及电平转换电路等。
光耦主要参数
本文介绍NEC公司及TOSHIBA公司生产的一些常用的贴片式光耦及其主要参数。
主要参数如表1及表2所示。
这里要说明一下电流传输比（CTR）这个参数的意义。
CTR是CurrentTransferRatio的缩写。
它是在一定工作条件下（IF及VCE），光耦的输出电流Ic与输入电流IF的比值，一般用百分比表示，其值低的从几到几十，高的从几十到几百，达林顿输出型可达上千。
CTR大，则在同样的IF下，输出电流Ic大，驱动负载的能力也强（或者说IF较小可获得大的Ic）。
这里顺便指出，当用光电耦合器作交流信号传输时，必须考虑它的频率特性。
采用GaAs发光二极管及硅光电三极管的光耦，其最高工作频率约为500kHz；其响应时间小于10μs。
在使用时要注意的红外发光二极管的反压VR一般是很低的，有的VR仅3V。
因此在使用时输入端不能接反，防止红外发光二极管因反压过高而击穿（可在1脚、3脚接一个反向二极管来保护，如图4所示）。
光耦的简易测量方法
光电三极管输出的光耦是应用最广泛的，若顶面印刷字迹或圆点看不清楚，可采用指针式万用表来测量，确认哪个管脚是1脚，并且也可简易测出光耦的好坏。
由于它是一个二极管及一个三极管c、e极组成的，所以用R×1k挡来测量是十分方便的。
只要测出一个二极管：
黑表笔接二极管的阳极，红表笔接二极管的阴极，其阻值约30kΩ，则黑表笔端即1脚。
如图7所示，其它三种测量都应是R=∞（表笔不动）。
若光电三极管的测量电阻不是∞，则此光耦不能用。
光耦组成的脉冲电路图原理及应用
本文介绍的光耦是由发光二极管和光敏三极管组合起来的器件，发光二极管是把输入边的电信号变换成相同规律变化的光，而光敏三极管是把光又重新变换成变化规律相同的电信号，因此，光起着媒介的作用。
由于光电耦合器抗干扰能力强，容易完成电平匹配和转移，又不受信号源是否接地的限制。
所以应用日益广泛。
一、用光电耦合器组成的多谐振荡电路
用光电耦合器组成的多谐振荡电路见图1。
当图1（a）刚接通电源Ec时，由于UF随C充电而增加，直到UF≈1伏时，发光二极管达到饱和，接着三极管也饱和，输出Uo≈Ec。
三极管饱和后，C放电（由C→F→E1→Er和由C→RF→+Ec→Re两条路径放电），uo减小，二极管在C放电到一定程度后就截止，而三极管把储存电荷全部移走后，接着也截止，uo为零。
三极管截止后，电源Ec又对C充电，重复上述过程，得出图示的尖峰输出波形，其周期，为（当RF》Re时）：
T=C（RF+Re）In2
图1（b）是原理相同的另一种形式电路。
图1、用光电耦合的多谐振荡器
二、用光电耦合器组成的双稳态电路
用光电耦合器组砀双稳态电路如图2所示。
电路接通电源后的稳态是BG截止，输出高电位。
在触发正脉冲作用下，ib增加使BG进入放大状态，形成ib↑→if↑→ib↑,结果BG截止，这种电路比普通的触发具有更高的抗干扰能力。
若设BG的极限电流Ic=6毫安，则R2=取为：
R2≥（13-1）/（6×）=24欧
限流电阻R1可按下式计算
R1≥（E-IbmRce2min）/Ibm
式中：
Ibm是晶体管的最大基极电流，Rce2min是光敏三极管集射间的最小电阻值。
图2、用光电耦合的双稳态电路
三、用光电耦合器组成的整形电路
由于用光电耦合器组成的脉冲耦合电路，其前后沿时间都比较大，因此在耦合器后面接一级晶体管的整形放大电路。
见表一列出几种整形电路的应用实例。
表一
用光电耦合器组成的整形电路
光电耦合-晶体管整形电路
光电耦合-固定组件整形
反相整形
快速整形
电路说明
这是一种施密特整形电路，因为不管输入是失真方波、正弦波还是锯齿波，在输出端均得到方波
光电耦合顺的输出接一与非门时行整形
光电耦合器的输出端后面连接两级与非门，构成反相整形
光电耦合器的输出端后面连接两只晶体管，构成同相整形电路
四、用光电耦合器组成的斩波电路
用光电耦合器组成的斩波电路见表二
表二
用光电耦合器组成的斩波电路
直接斩波电路
隔离式斩波电路（I）
隔离式斩波电路（II）
电路说明
输出Ei被测电压，经斩波取样后送到编码器里进行编码测量，当A点是低电位，B点为高电位时，GD1导通，GD2截止，被测电压Ei直接送到输出端，反之，A点高电位，B点低电位，GD1截止，GD2导通，C经GD2放电，输出端回到零。
比普通的晶体管或场效应管斩波器具有更高精度
当斩波脉冲输入时，BG导通，则GD导通，输入边的ui传至输出边，而uo正比于ui但相位相反，反之，斩波脉冲为零时，GD截止，uo为高电平，比普通用变压器隔离的调制器，精度高，因变压器电压不能太大，引起输出脉冲波顶不平。
用两只GD1及GD2。
其中GD1作开关器，当斩波脉冲输入时，GD1导通，ui反相传至GD2的输出边，使uo与输入ui及斩波脉冲隔离起来。
光耦反隔离反馈的几种典型接法
在一般的隔离电源中，光耦隔离反馈是一种简单、低成本的方式。
但对于光耦反馈的各种连接方式及其区别，目前尚未见到比较深入的研究。
而且在很多场合下，由于对光耦的工作原理理解不够深入，光耦接法混乱，往往导致电路不能正常工作。
本研究将详细分析光耦工作原理，并针对光耦反馈的几种典型接法加以对比研究。
1常见的几种连接方式及其工作原理
常用于反馈的光耦型号有TLP521、PC817等。
这里以TLP521为例，介绍这类光耦的特性。
TLP521的原边相当于一个发光二极管，原边电流If越大，光强越强，副边三极管的电流Ic越大。
副边三极管电流Ic与原边二极管电流If的比值称为光耦的电流放大系数，该系数随温度变化而变化，且受温度影响较大。
作反馈用的光耦正是利用“原边电流变化将导致副边电流变化”来实现反馈，因此在环境温度变化剧烈的场合，由于放大系数的温漂比较大，应尽量不通过光耦实现反馈。
此外，使用这类光耦必须注意设计外围参数，使其工作在比较宽的线性带内，否则电路对运行参数的敏感度太强，不利于电路的稳定工作。
通常选择TL431结合TLP521进行反馈。
这时，TL431的工作原理相当于一个内部基准为2.5V的电压误差放大器，所以在其1脚与3脚之间，要接补偿网络。
常见的光耦反馈第1种接法，如图1所示。
图中，Vo为输出电压，Vd为芯片的供电电压。
com信号接芯片的误差放大器输出脚，或者把PWM芯片（如UC3525）的内部电压误差放大器接成同相放大器形式，com信号则接到其对应的同相端引脚。
注意左边的地为输出电压地，右边的地为芯片供电电压地，两者之间用光耦隔离。
图1所示接法的工作原理如下：
当输出电压升高时，TL431的1脚（相当于电压误差放大器的反向输入端）电压上升，3脚（相当于电压误差放大器的输出脚）电压下降，光耦TLP521的原边电流If增大，光耦的另一端输出电流Ic增大，电阻R4上的电压降增大，com引脚电压下降，占空比减小，输出电压减小；反之，当输出电压降低时，调节过程类似。
常见的第2种接法，如图2所示。
与第1种接法不同的是，该接法中光耦的第4脚直接接到芯片的误差放大器输出端，而芯片内部的电压误差放大器必须接成同相端电位高于反相端电位的形式，利用运放的一种特性——当运放输出电流过大（超过运放电流输出能力）时，运放的输出电压值将下降，输出电流越大，输出电压下降越多。
因此，采用这种接法的电路，一定要把PWM芯片的误差放大器的两个输入引脚接到固定电位上，且必须是同向端电位高于反向端电位，使误差放大器初始输出电压为高。
图2所示接法的工作原理是：
当输出电压升高时，原边电流If增大，输出电流Ic增大，由于Ic已经超过了电压误差放大器的电流输出能力，com脚电压下降，占空比减小，输出电压减小；反之，当输出电压下降时，调节过程类似。
常见的第3种接法，如图3所示。
与图1基本相似，不同之处在于图3中多了一个电阻R6，该电阻的作用是对TL431额外注入一个电流，避免TL431因注入电流过小而不能正常工作。
实际上如适当选取电阻值R3，电阻R6可以省略。
调节过程基本上同图1接法一致。
常见的第4种接法，如图4所示。
该接法与第2种接法类似，区别在于com端与光耦第4脚之间多接了一个电阻R4，其作用与第3种接法中的R6一致，其工作原理基本同接法2。
2各种接法的比较
在比较之前，需要对实际的光耦TLP521的几个特性曲线作一下分析。
首先是Ic-Vce曲线，如图5，图6所示。
由图5、图6可知，当If小于5mA时，If的微小变化都将引起Ic与Vce的剧烈变化，光耦的输出特性曲线平缓。
这时如果将光耦作为电源反馈网络的一部分，其传递函数增益非常大。
对于整个系统来说，一个非常高的增益容易引起系统不稳定，所以将光耦的静态工作点设置在电流If小于5mA是不恰当的，设置为5～10mA较恰当。
此外，还需要分析光耦的Ic-If曲线，如图7所0示。
由图7可以看出，在电流If小于10mA时，Ic-If基本不变，而在电流If大于10mA之后，光耦开始趋向饱和，Ic-If的值随着If的增大而减小。
对于一个电源系统来说，如果环路的增益是变化的，则将可能导致不稳定，所以将静态工作点设置在If过大处（从而输出特性容易饱和），也是不合理的。
需要说明的是，Ic-If曲线是随温度变化的，但是温度变化所影响的是在某一固定If值下的Ic值，对Ic-If比值基本无影响，曲线形状仍然同图7，只是温度升高，曲线整体下移，这个特性从Ic-Ta曲线（如图8所示）中可以看出。
由图8可以看出，在If大于5mA时，Ic-Ta曲线基本上是互相平行的。
根据上述分析，以下针对不同的典型接法，对比其特性以及适用范围。
本研究以实际的隔离半桥辅助电源及反激式电源为例说明。
第1种接法中，接到电压误差放大器输出端的电压是外部电压经电阻R4降压之后得到，不受电压误差放大器电流输出能力影响，光耦的工作点选取可以通过其外接电阻随意调节。
按照前面的分析，令电流If的静态工作点值大约为10mA，对应的光耦工作温度在0～100℃变化，值在20～15mA之间。
一般PWM芯片的三角波幅值大小不超过3V，由此选定电阻R4的大小为670Ω，并同时确定TL431的3脚电压的静态工作点值为12V，那么可以选定电阻R3的值为560Ω。
电阻R1与R2的值容易选取，这里取为27k与4.7k。
电阻R5与电容C1为PI补偿，这里取为3k与10nF。
实验中，半桥辅助电源输出负载为控制板上的各类控制芯片，加上多路输出中各路的死负载，最后的实际功率大约为30w。
实际测得的光耦4脚电压（此电压与芯片三角波相比较，从而决定驱动占空比）波形，如图9所示。
对应的驱动信号波形，如图10所示。
图10的驱动波形有负电压部分，是由于上、下管的驱动绕在一个驱动磁环上的缘故。
可以看出，驱动信号的占空比比较大，大约为0.7。
对于第2种接法，一般芯片内部的电压误差放大器，其最大电流输出能力为3mA左右，超过这个电流值，误差放大器输出的最高电压将下降。
所以，该接法中，如果电源稳态占空比较大，那么电流Ic比较小，其值可能仅略大于3mA，对应图7，Ib为2mA左右。
由图6可知，Ib值较小时，微小的Ib变化将引起Ic剧烈变化，光耦的增益非常大，这将导致闭环网络不容易稳定。
而如果电源稳态占空比比较小，光耦的4脚电压比较小，对应电压误差放大器的输出电流较大，也就是Ic比较大（远大于3mA），则对应的Ib也比较大，同样对应于图6，当Ib值较大时，对应的光耦增益比较适中，闭环网络比较容易稳定。
同样，对于上面的半桥辅助电源电路，用接法2代替接法1，闭环不稳定，用示波器观察光耦4脚电压波形，有明显的振荡。
光耦的4脚输出电压（对应于UC3525的误差放大器输出脚电压），波形如图11所示，可发现明显的振荡。
这是由于这个半桥电源稳态占空比比较大，按接法2则光耦增益大，系统不稳定而出现振荡。
实际上，第2种接法在反激电路中比较常见，这是由于反激电路一般都出于效率考虑，电路通常工作于断续模式，驱动占空比比较小，对应光耦电流Ic比较大，参考以上分析可知，闭环环路也比较容易稳定。
以下是另外一个实验反激电路，工作在断续模式，实际测得其光耦4脚电压波形，如图12所示。
实际测得的驱动信号波形，如图13所示，占空比约为0.2。
因此，在光耦反馈设计中，除了要根据光耦的特性参数来设置其外围参数外，还应该知道，不同占空比下对反馈方式的选取也是有限制的。
反馈方式1、3适用于任何占空比情况，而反馈方式2、4比较适合于在占空比比较小的场合使用。
3、结束语
本研究列举了4种典型光耦反馈接法，分析了各种接法下光耦反馈的原理以及各种限制因素，对比了各种接法的不同点。
通过实际半桥和反激电路测试，验证了电路工作的占空比对反馈方式选取的限制。
最后对光耦反馈进行总结，对今后的光耦反馈设计具有一定的参考价值。
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