光耦的作用及工作原理

1、光耦的作用及工作原理光耦合器（opticalcoupler，英文縮寫(xiě)為0C）亦稱(chēng)光電隔離器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類(lèi)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(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）,使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電一光一電的轉(zhuǎn)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(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端

2、屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線(xiàn)傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來(lái)的新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單

3、片開(kāi)關(guān)電源中，利用線(xiàn)性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的學(xué)習(xí)筆記：光耦的主要作用就是隔離作用，如信號(hào)隔離或光電的隔離。隔離能起到保護(hù)的作用，如一邊是微處理器控制電路，另一邊是高電壓執(zhí)行端，如市電啟動(dòng)的電機(jī)，電燈等等，就可以用光耦隔離開(kāi)。當(dāng)兩個(gè)不同型號(hào)的光耦只有負(fù)載電流不同時(shí)，可以用大負(fù)載電流的光耦代替小負(fù)載電流的光耦。以六腳光耦TLP641J為例，說(shuō)明其原理。一個(gè)光控晶閘管(photo-thyristor)耦合(couplet。)個(gè)碑化鏤(galliumarsenid紅外發(fā)光二極管(diode)組成。左邊1和2腳是發(fā)光二極管，當(dāng)外加電壓后，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極

4、管(LED)，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，以此來(lái)觸發(fā)光控晶閘管。光控晶閘管的特點(diǎn)是門(mén)極區(qū)集成了一個(gè)光電二極管，觸發(fā)信號(hào)源與主回路絕緣，它的關(guān)鍵是觸發(fā)靈敏度要高。光控晶閘管控制極的觸發(fā)電流由器件中光生載流子提。光控晶閘管陽(yáng)極和陰極間加正壓，門(mén)極區(qū)若用一定波長(zhǎng)的光照射，則光控晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)。為提高光控晶閘管觸發(fā)靈敏度，門(mén)極區(qū)常采用放大門(mén)極結(jié)構(gòu)或雙重放大門(mén)極結(jié)構(gòu)。為滿(mǎn)足高的重加電壓上升率，常采用陰極發(fā)射極短路結(jié)構(gòu)。小功率光控晶閘管常應(yīng)用于電隔離，為較大的晶閘管提供控制極觸發(fā)；也可用于繼電器、自動(dòng)控制等方面。大功率光控晶閘管主要用于高壓直流輸電。當(dāng)1和2腳加上5V以上電源后，就能使發(fā)光管發(fā)光，驅(qū)動(dòng)光控

5、晶閘管進(jìn)入通態(tài)，此時(shí)，5和4腳構(gòu)成一個(gè)電阻，阻值大約為10K。當(dāng)1和2不加電壓時(shí)，則4和5可以看成一個(gè)無(wú)窮大的電阻。2、PC817是常用的線(xiàn)性光藕，在各種要求比較精密的功能電路中常常被當(dāng)作耦合器件，具有上下級(jí)電路完全隔離的作用，相互不產(chǎn)生影響。光耦PC817應(yīng)用電路圖當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器發(fā)出光線(xiàn)，照射在受光器上，受光器接受光線(xiàn)后導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換。普通光電耦合器只能傳輸數(shù)字信號(hào)(開(kāi)關(guān)信號(hào))，不適合傳輸模擬信號(hào)。線(xiàn)性光電耦合器是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號(hào)，這樣隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，從而使光敏晶體

6、管的導(dǎo)通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同。PC817光電耦合器不但可以起到反饋?zhàn)饔眠€可以起到隔離作用。光耦的原理，參數(shù)，特點(diǎn)及作用光電耦合器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)光耦)是一種發(fā)光器件和光敏器件組成的光電器件。它能實(shí)現(xiàn)電一光一電信號(hào)的變換，并且輸入信號(hào)與輸出信號(hào)是隔離的。目前極大多數(shù)的光耦輸入部分采用碎化錢(qián)紅外發(fā)光二極管，輸出部分采用硅光電二極管、硅光電三極管及光觸發(fā)可控硅。這是因?yàn)榉逯挡ㄩL(zhǎng)900940nm的碑化鏤紅外發(fā)光二極管能與硅光電器件的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)相吻合，可獲得較高的信號(hào)傳輸效率。光耦的結(jié)構(gòu)光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(剖面)如圖1所示。光耦輸入部分大都是紅外發(fā)光二極管，輸出部分有不同的光敏器件，如圖2所示

7、。這里要說(shuō)明的是，圖2(c)的輸入部分有兩個(gè)背對(duì)背的紅外發(fā)光二極管，它用于交流輸入的場(chǎng)合；圖2(d)采用達(dá)林頓輸出結(jié)構(gòu)，它可使輸出獲得較大的電流；圖2(e)、2的輸出由光觸發(fā)雙向可控硅組成，它們主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載。圖2與圖2的差別是圖2有過(guò)零觸發(fā)控制(圖中的“ZC”即“過(guò)零”的意思)，而圖2(e)沒(méi)有過(guò)零觸發(fā)控制電路。基本電路光耦的基本電路如圖3所示。圖3(a)的負(fù)載電阻RL接在發(fā)射極及地之間，圖3(b)的負(fù)載電阻RL接在電源Vdd與集電極之間。在圖3(a)中，輸入端加上Vcc電壓，經(jīng)限流電阻Rin后，有一定的電流IF流經(jīng)紅外發(fā)光二極管，IF與Vcc、發(fā)光二極管的正向壓降VF及Rin的關(guān)系為

8、：IF=(Vcc-VF)/Rin。式中的VF取。IF的最大值由資料給出(一般工作時(shí)IF(13-1)/(6X)=24歐限流電阻R1可按下式計(jì)算R1(E-lbmRce2min)/lbm式中：Ibm是晶體管的最大基極電流，Rce2min是光敏三極管集射間的最小電阻值。圖2、用光電耦合的雙穩(wěn)態(tài)電路三、用光電耦合器組成的整形電路由于用光電耦合器組成的脈沖耦合電路，其前后沿時(shí)間都比較大，因此在耦合器后面接一級(jí)晶體管的整形放大電路。見(jiàn)表一列出幾種整形電路的應(yīng)用實(shí)例。表一,用光電耦合器組成的整形電路光電耦合-晶體管整形電路光電耦合-固定組件整形反相整形快速整形電路說(shuō)明這是一種施密特整形電路，因?yàn)椴还茌斎胧鞘д?/p>

9、方波、正弦波還是鋸齒波，在輸出端均得到方波光電耦合順的輸出接一與非門(mén)時(shí)行整形光電耦合器的輸出端后面連接兩級(jí)與非門(mén)，構(gòu)成反相整形光電耦合器的輸出端后面連接兩只晶體管，構(gòu)成同相整形電路四、用光電耦合器組成的斬波電路用光電耦合器組成的斬波電路見(jiàn)表二表二用光電耦合器組成的斬波電路直接斬波電路隔離式斬波電路（I）隔離式斬波電路（II）電路說(shuō)明輸出Ei被測(cè)電壓，經(jīng)斬波取樣后送到編碼器里進(jìn)行編碼測(cè)量，當(dāng)A點(diǎn)是低電位，B點(diǎn)為高電位時(shí)，GD1導(dǎo)通，GD2截止，被測(cè)電壓日直接送到輸出端，反之，A點(diǎn)高電位，B點(diǎn)低電位，GD1截止，GD2導(dǎo)通，C經(jīng)GD2放電，輸出端回到零。比普通的晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管斬波器具有更高精度當(dāng)

10、斬波脈沖輸入時(shí)，BG導(dǎo)通，則GD導(dǎo)通，輸入邊的ui傳至輸出邊，而u。正比于ui但相位相反，反之，斬波脈沖為零時(shí)，GD截止，uo為高電平，比普通用變壓器隔離的調(diào)制器，精度高，因變壓器電壓不能太大，引起輸出脈沖波頂不平。用兩只GD1及GD2。其中GD1作開(kāi)關(guān)器，當(dāng)斬波脈沖輸入時(shí)，GD1導(dǎo)通，ui反相傳至GD2的輸出邊，使uo與輸入ui及斬波脈沖隔離起來(lái)。光耦反隔離反饋的幾種典型接法在一般的隔離電源中，光耦隔離反饋是一種簡(jiǎn)單、低成本的方式。但對(duì)于光耦反饋的各種連接方式及其區(qū)別，目前尚未見(jiàn)到比較深入的研究。而且在很多場(chǎng)合下，由于對(duì)光耦的工作原理理解不夠深入，光耦接法混亂，往往導(dǎo)致電路不能正常工作。本研

11、究將詳細(xì)分析光耦工作原理，并針對(duì)光耦反饋的幾種典型接法加以對(duì)比研究。1常見(jiàn)的幾種連接方式及其工作原理常用于反饋的光耦型號(hào)有TLP521、PC817等。這里以TLP521為例，介紹這類(lèi)光耦的特性。TLP521的原邊相當(dāng)于一個(gè)發(fā)光二極管，原邊電流If越大，光強(qiáng)越強(qiáng)，副邊三極管的電流lc越大。副邊三極管電流lc與原邊二極管電流If的比值稱(chēng)為光耦的電流放大系數(shù)，該系數(shù)隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。作反饋用的光耦正是利用“原邊電流變化將導(dǎo)致副邊電流變化”來(lái)實(shí)現(xiàn)反饋，因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場(chǎng)合，由于放大系數(shù)的溫漂比較大，應(yīng)盡量不通過(guò)光耦實(shí)現(xiàn)反饋。此外，使用這類(lèi)光耦必須注意設(shè)計(jì)外圍參數(shù)，使其工作在比

12、較寬的線(xiàn)性帶內(nèi)，否則電路對(duì)運(yùn)行參數(shù)的敏感度太強(qiáng)，不利于電路的穩(wěn)定工作。通常選擇TL431結(jié)合TLP521進(jìn)行反饋。這時(shí)，TL431的工作原理相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)為V的電壓誤差放大器，所以在其1腳與3腳之間，要接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。常見(jiàn)的光耦反饋第1種接法，如圖1所示。圖中，Vo為輸出電壓，Vd為芯片的供電電壓。com信號(hào)接芯片的誤差放大器輸出腳，或者把PWM芯片（如UC3525）的內(nèi)部電壓誤差放大器接成同相放大器形式，com信號(hào)則接到其對(duì)應(yīng)的同相端引腳。注意左邊的地為輸出電壓地，右邊的地為芯片供電電壓地，兩者之間用光耦隔離。圖1所示接法的工作原理如下：當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，TL431的1腳（相當(dāng)于電壓誤差放大

13、器的反向輸入端）電壓上升，3腳（相當(dāng)于電壓誤差放大器的輸出腳）電壓下降，光耦TLP521的原邊電流If增大，光耦的另一端輸出電流lc增大，電阻R4上的電壓降增大，com引腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減?。环粗?，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程類(lèi)似。常見(jiàn)的第2種接法，如圖2所示。與第1種接法不同的是，該接法中光耦的第4腳直接接到芯片的誤差放大器輸出端，而芯片內(nèi)部的電壓誤差放大器必須接成同相端電位高于反相端電位的形式，利用運(yùn)放的一種特性-當(dāng)運(yùn)放輸出電流過(guò)大（超過(guò)運(yùn)放電流輸出能力）時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓值將下降，輸出電流越大，輸出電壓下降越多。因此，采用這種接法的電路，一定要把PWM芯片的誤差放大器的兩個(gè)

14、輸入引腳接到固定電位上，且必須是同向端電位高于反向端電位，使誤差放大器初始輸出電壓為高圖1光播反饋第1種接法圖2光耦反饋的第2種接法圖2所示接法的工作原理是：當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，原邊電流If增大，輸出電流1c增大，由于1c已經(jīng)超過(guò)了電壓誤差放大器的電流輸出能力，com腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減小；反之，當(dāng)輸出電壓下降時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程類(lèi)似。常見(jiàn)的第3種接法，如圖3所示。與圖1基本相似，不同之處在于圖3中多了一個(gè)電阻R6,該電阻的作用是對(duì)TL431額外注入一個(gè)電流，避免TL431因注入電流過(guò)小而不能正常工作。實(shí)際上如適當(dāng)選取電阻值R3,電阻R6可以省略。調(diào)節(jié)過(guò)程基本上同圖1接法一致。常見(jiàn)的第4種

15、接法，如圖4所示。該接法與第2種接法類(lèi)似，區(qū)別在于com端與光耦第4腳之間多接了一個(gè)電阻R4,其作用與第3種接法中的R6 一致，其工作原理基本同接法2。匕U匕S3的第3種接法圖4光耦反ta的第4種接法2各種接法的比較在比較之前，需要對(duì)實(shí)際的光耦TLP521的幾個(gè)特性曲線(xiàn)作一下分析。首先是Ic-Vce曲線(xiàn)，如圖5,圖6所示。200J/V圖5 TLP521的人一吆曲線(xiàn) 圖6 TLP521的兀-J曲疑由圖5、圖6可知，當(dāng)If小于5mA時(shí)，If的微小變化都將引起1c與Vee的劇烈變化，光耦的輸出特性曲線(xiàn)平緩。這時(shí)如果將光耦作為電源反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分，其傳遞函數(shù)增益非常大。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)非常高的增

16、益容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以將光耦的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在電流If小于5mA是不恰當(dāng)?shù)?，設(shè)置為510mA較恰當(dāng)。此外，還需要分析光耦的lc-lf曲線(xiàn)，如圖7所。示。由圖7可以看出，在電流If小于10mA時(shí)，lc-lf基本不變，而在電流If大于10mA之后，光耦開(kāi)始趨向飽和，lc-lf的值隨著If的增大而減小。對(duì)于一個(gè)電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果環(huán)路的增益是變化的，則將可能導(dǎo)致不穩(wěn)定，所以將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在If過(guò)大處（從而輸出特性容易飽和），也是不合理的。需要說(shuō)明的是，lc-lf曲線(xiàn)是隨溫度變化的，但是溫度變化所影響的是在某一固定If值下的Ie值，對(duì)lc-lf比值基本無(wú)影響，曲線(xiàn)形狀仍然同圖乙只是溫度升高，曲線(xiàn)整

17、體下移，這個(gè)特性從Ic-Ta曲線(xiàn)（如圖8所示）中可以看出。MF SIMM r M J I 1,Il力川通 |祖1小2_ 上. 一 一 us z -B 1 H EST 拜isa加塞達(dá)一 KIoniihMB二二j-=一二二二二，二二二二一 |LBin IWIHBB1II _ - 1! 1 M ! 3 11 FTB I 11 fllBiH llllll HH 1 Ifillr三=匚兀=UI.XSS2BSSmSZIg A.T. . i a I由圖8可以看出，在If大于5 mA時(shí)，Ie-Ta曲線(xiàn)基本上是互相平行的根據(jù)上述分析，以下針對(duì)不同的典型接法，對(duì)比其特性以及適用范圍。本研究以實(shí)際的隔離半橋輔助電源

18、及反激式電源為例說(shuō)明。第1種接法中，接到電壓誤差放大器輸出端的電壓是外部電壓經(jīng)電阻R4降壓之后得到，不受電壓誤差放大器電流輸出能力影響，光耦的工作點(diǎn)選取可以通過(guò)其外接電阻隨意調(diào)節(jié)。按照前面的分析，令電流If的靜態(tài)工作點(diǎn)值大約為10mA，對(duì)應(yīng)的光耦工作溫度在。100C變化，值在2015mA之間。一般PWM芯片的三角波幅值大小不超過(guò)3V，由此選定電阻R4的大小為670Q,并同時(shí)確定TL431的3腳電壓的靜態(tài)工作點(diǎn)值為12V，那么可以選定電阻R3的值為560Q。電阻R1與R2的值容易選取，這里取為27k與k。電阻R5與電容C1為PI補(bǔ)償，這里取為3k與10nF。實(shí)驗(yàn)中，半橋輔助電源輸出負(fù)載為控制板上

19、的各類(lèi)控制芯片，加上多路輸出中各路的死負(fù)載，最后的實(shí)際功率大約為30w。實(shí)際測(cè)得的光耦4腳電壓（此電壓與芯片三角波相比較，從而決定驅(qū)動(dòng)占空比）波形，如圖9所示。對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，如圖10所示。圖10的驅(qū)動(dòng)波形有負(fù)電壓部分，是由于上、下管的驅(qū)動(dòng)繞在一個(gè)驅(qū)動(dòng)磁環(huán)上的緣故?？梢钥闯?，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比比較大，大約為。電壓波形s 10半橋下管的驅(qū)動(dòng)遽膨S9對(duì)于第2種接法，一般芯片內(nèi)部的電壓誤差放大器，其最大電流輸出能力為3mA左右，超過(guò)這個(gè)電流值，誤差放大器輸出的最高電壓將下降。所以，該接法中，如果電源穩(wěn)態(tài)占空比較大，那么電流1c比較小，其值可能僅略大于3mA，對(duì)應(yīng)圖7,1b為2mA左右。由圖6可知，1b值較小時(shí)，微小的1b變化將引起1c劇烈變化，光耦的增益非常大，這將導(dǎo)致閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)不容易穩(wěn)定。而如果電源穩(wěn)態(tài)占空比比較小，光耦的4腳電壓比較小，對(duì)應(yīng)電壓誤