光电耦合器的知识点

1、光电耦合器的概念光电耦合器(Optical coupler，英文缩写OC)是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。2、内部结构如下 图 1 为某款常见SOP-4封装光电耦合器的原理、封装、3D示意图。 左上角小圆点对应的为1引脚，逆时针依次为引脚1、2、3、4。

图 1 光电耦合器的原理、封装、3D示意图

下图 2 是SOP-4封装光耦的内部示意图，左侧是发光二极管构成的信号输入部分，一般会是红外线的发光二极管。中间部分是封闭式的光通道（也称为电介质通道）。右侧主要为信号接收输出部分，一般为光敏电阻、光电二极管、光晶体管、可控硅整流器或双向晶闸管。

图 2 SOP-4封装内部结构示意图

下图 3 为SOP-4封装光耦对应的切面图，其内部将发光元件与光敏元件封装在一个黑色不透光的壳体内，黑色不透光封装起来的必要性是为了防止感光元件受到外部光线的干扰。

图 3 SOP-4 内部切面图3、基本工作原理光电耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。 输入的电信号驱动光发射源，使之发光，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，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，具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输资讯中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在电脑数位通信及即时控制中作为信号隔离的界面器件，可以大大增加其工作之可靠性。4、主要特点

输入和输出端之间绝缘，其绝缘电阻一般都大于10000MΩ，耐压一般可超过1kV，有的甚至可以达到10kV以上；

由于光接收器只能接受光源的信息，反之不能，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端；

由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电流电压信号。因此光电耦合器件的共模抑制比很大，所以，光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音；

容易和逻辑电路配合；

响应速度快。光电耦合器件的时间常数通常在毫秒甚至微秒级；

无触点、寿命长、体积小、耐冲击。

5、种类

图 4 主要种类(来自维基百科)

6、关键电气参数

a、输入特性 

光耦合器的输入特性实际也就是其内部发光二极管的特性。常见的参数有：

正向工作电压Vf（Forward Voltage）

Vf是指在给定的工作电流下，LED本身的压降。常见的小功率LED通常以                  If=20mA      来测试正向工作电压，当然不同的LED，测试条件和测试结果也           会不一样。

反向电压Vr（Reverse Voltage ）

Vr指LED所能承受的最大反向电压，超过此反向电压，可能会损坏LED。在使           用交流脉冲驱动LED时，要特别注意不要超过反向电压。

反向电流Ir（Reverse Current）

通常指在最大反向电压情况下，流过LED的反向电流。

允许功耗Pd（Maximum Power Dissipation）

LED所能承受的最大功耗值。超过此功耗，可能会损坏LED。

中心波长λp（Peak Wave Length）

λp指LED所发出光的中心波长值。波长直接决定光的颜色，对于双色或多色               LED，会有几个不同的中心波长值。

正向工作电流If（Forward Current）

If是指LED正常发光时所流过的正向电流值。不同的LED，其允许流过的最大电          流也会不一样。

正向脉冲工作电流Ifp（Peak Forward Current）

Ifp是指流过 LED的正向脉冲电流值。为保证寿命，通常会采用脉冲形式来驱动          LED，通常LED规格书中给的Ifp是以0.1ms脉冲宽度,占空比为1/10的脉冲电          流来计算的。

b、输出特性

光耦合器的输出特性实际也就是其内部光敏三极管的特性，与普通的三极管类           似。常见的参数有：

集电极电流Ic（Collector Current）

光敏三极管集电极所流过的电流，通常表示其最大值。

集电极-发射极电压Vceo（C-E Voltage）

集电极-发射极所能承受的电压。

发射极-集电极电压Veco（E-C Voltage）

发射极-集电极所能承受的电压

反向截止电流Iceo

C-E饱和电压Vce(sat)（C-E Saturation Voltage）

c、传输特性：

电流传输比CTR（Current Transfer Radio）

上升时间Tr （Rise Time）& 下降时间Tf（Fall Time）

其它参数诸如工作温度、耗散功率等不再一一敷述。

d、隔离特性

入出间隔离电压Vio（Isolation Voltage）

光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。

入出间隔离电容Cio（Isolation Capacitance）：

光耦合器件输入端和输出端之间的电容值

入出间隔离电阻Rio：（Isolation Resistance）

7、典型应用

光耦的应用场景有很多，这部分只挑选其中的一些来做说明。

电平转换

光耦经常用在电平转换电路中，通常我们的单片机系统是3.3V或者5V电压供电，当需要控制其他不同的电平电路时，可以用光耦实现。如下图 5，当5V单片机系统输出高低电平时，分别控制右半部分12V电路的导通与关断。

图 5 电平转换电路

电气隔离

光耦常用于开关电源的强电与弱电的电气隔离中。

如下图 6 所示的关电源电路，开关电源220V电输入，经整流桥和电容滤波后，得到300V左右的高压直流电，高压直流电经过电源管理芯片智能调节占空比加到变压器初级线圈，这样在变压器次级线圈上得到较低电压的交流电，经过整流滤波后得到所需的直流电。

图 6 开关电源电路图

如上通过变压器隔离了高压和低压部分，但电源管理芯片还需要一个输出端反馈信号用来实时监测输出端电压的高低，以便动态调节占空比来调节输出电压在恒定的范围内。

图 7 光耦反馈信号

那么低压区的反馈信号如何才能安全的传递到高压区的电源管理芯片呢？这里就用到了光耦。如图 7 光耦先把低压区的电压高低转化为光信号，光信号投射到光耦高压端的光敏三极管上，光敏三极管再把光信号转化为电信号，进而传递给电源管理芯片。当输出电压上升时，光耦内发光二极管电流增大，亮度升高，光耦的另一端通过三极管的电流也相应增大；当输出电压下降时，光耦内发光二极管电流减小，亮度降低，光耦的另一端通过三极管的电流也相应减小。开关电源中一般要求光耦两端的电流成比例的线性变化，从而为电源管理芯片提供精确的反馈信号。

责任编辑：xj

原文标题：小小的光耦，满满的干货！

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