光耦是什么含义

Answer 1

工作原理光耦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。
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，可以大大提高计算机工作的可靠性。
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。
优点光耦光耦合器
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，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年代发展起来产新型器件，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。
种类光耦光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。
非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性
的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。
常用的4N系列光耦属于非线性光耦
。
线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。
常用的线性光耦是PC817A—C系列。
开关电源中常用的光耦是线性光耦。
如果使用非线性光耦，有可能使振荡波形变坏，严重时出现寄生振荡，使数千赫的振荡频率被数十到数百赫的低频振荡依次为号调制。
由此产生的后果是对彩电，彩显，VCD，DCD等等，将在图像画面上产生干扰
。
同时电源带负载
能力下降。
在彩电
，显示器等开关电源维修中如果光耦损坏，一定要用线性光耦代换。
常用的4脚线性光耦有PC817A----C。
PC111
TLP521等常用的六脚线性光耦有：LP632
TLP532
PC614
PC714
PS2031等。
常用的4N25
4N26
4N35
4N36是不适合用于开关电源中的，因为这4种光耦均属于非线性光耦。
光耦由于光电耦合器的品种和类型非常多，在光电子DATA手册中，其型号超过上千种，通常可以按以下方法进行分类：⑴按光路径分，可分为外光路光电耦合器(又称光电断续检测器)和内光路光电耦合器。
外光路光电耦合器又分为透过型和反射型光电耦合器。
⑵按输出形式分，可分为：a、光敏器件输出型，其中包括光敏二极管输出型，光敏三极管输出型，光电池输出型，光可控硅输出型等。
b、NPN三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型，互补输出型等。
c、达林顿三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型。
d、逻辑门电路输出型，其中包括门电路输出型，施密特触发输出型，三态门电路输出型等。
e、低导通输出型(输出低电平毫伏数量级)。
f、光开关输出型(导通电阻小于10Ω)。
g、功率输出型(IGBT/MOSFET等输出)。
⑶按封装形式分，可分为同轴型，双列直插型，TO封装型，扁平封装型，贴片封装型，以及光纤传输型等。
⑷按传输信号分，可分为数字型光电耦合器(OC门输出型，图腾柱输出型及三态门电路
输出型等)和线性光电耦合器(可分为低漂移型，高线性型，宽带
型，单电源型，双电源型等)。
⑸按速度分，可分为低速光电耦合器(光敏三极管、光电池等输出型)和高速光电耦合器(光敏二极管带信号处理电路或者光敏集成电路输出型)。
⑹按通道分，可分为单通道，双通道和多通道光电耦合器。
⑺按隔离特性分，可分为普通隔离光电耦合器(一般光学胶灌封低于5000V，空封低于2000V)和高压隔离光电耦合器(可分为10kV，20kV，30kV等)。
⑻按工作电压分，可分为低电源电压型光电耦合器(一般5～15V)和高电源电压型光电耦合器(一般大于30V)。
结构特点光电耦合的主要特点如下：1.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。
2.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。
3.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。
4.容易和逻辑电路配合。
5.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。
6.无触点、寿命长、体积小、耐冲击。
性能特点光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。
它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、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。
由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能的电流并不大，不易使半导体二极管发光;由于光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响;光电耦合器的隔离电阻很大(约1012Ω)、隔离电容很小(约几个pF)所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。
线性方式工作的光电耦合器是在光电耦合器的输入端加控制电压，在输出端会成比例地产生一个用于进一步控制下一级的电路的电压。
线性光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成，当发光二极管接通而发光，光敏管导通，光电耦合器是电流驱动型，需要足够大的电流才能使发光二极管导通，如果输入信号太小，发光二极管不会导通，其输出信号将失真。
在开关电源，尤其是数字开关电源中。
采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围大多为20%～300%(如4N35)，而PC817则为80%～160%，达林顿型光耦合器(如4N30)可达100%～5000%。
这表明欲获得同样的输出电流，后者只需较小的输入电流。
因此，CTR参数与晶体管的hFE有某种相似之处。
线性光耦合器与普通光耦合器典型的CTR
-IF特性曲线。
普通光耦合器的CTR-IF特性曲线呈非线性，在IF较小时的非线性失真尤为严重，因此它不适合传输模拟信号。
线性光耦合器的CTR-IF特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号时，其交流电流传输比(ΔCTR=ΔIC/ΔIF)很接近于直流电流传输比CTR值。
因此，它适合传输模拟电压或电流信号，能使输出与输入之间呈线性关系。
这是其重要特性。
必须遵循下列原则：所选用的光电耦合器件必须符合国际的有关隔离击穿电压的标准;由英国埃索柯姆(Isocom)公司、美国摩托罗拉公司生产的4N××系列(如4N25
、4N26、4N35)光耦合器技术参数一、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：1.
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。
2.
反向电压Vr(Reverse
Voltage
)是指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。
3.
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。
4.
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。
是指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。
6.
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。
7.
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规格书中给中的Ifp是以0.1ms脉冲宽度,占空比为1/10的脉冲电流来计算的。
二、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：1.
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。
2.
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。
3.
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4.
反向截止电流Iceo5.
C-E饱和电压Vce(sat)(C-E
Saturation
Voltage)四、传输特性：1.电流传输比CTR(Current
Transfer
Radio)2.上升时间Tr
(Rise
Time)5.0mA)，才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。
若CTR200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。
2、若用放大器电路去驱动光电耦合器，必须精心设计，保证它能够补偿耦合器的温度不稳定性和漂移。
2、推荐采用线性光耦合器，其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。
上述使用的光电耦合器时工作在线性方式下，在光电耦合器的输入端加控制电压，在输出端会成比例地产生一个用于进一步控制下一级电路的电压，是单片机进行闭环调节控制，对电源输出起到稳压的作用。
为了彻底阻断干扰信号进入系统，不仅信号通路要隔离，而且输入或输出电路与系统的电源也要隔离，即这些电路分别使用相互独立的隔离电源。
对于共模干扰，采用隔离技术，即利用变压器或线性光电耦合器，将输入地与输出地断开，使干扰没有回路而被抑制。
在开关电源中，光电耦合器是一个是非常重要的外围器件，设计者可以充分的利用它的输入输出隔离作用对单片机进行抗干扰设计，并对变换器进行闭环稳压调节。
作用由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用以下场合：⑴
在逻辑电路上的应用⑵
作为固体开关应用⑶
在触发电路上的应用⑷
在脉冲放大电路中的应用。
光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。
⑸
在线性电路上的应用⑹
特殊场合的应用。
线性光耦合器的选取原则在设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光耦合器的型号及参数，选取原则如下：①光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是50%～200%。
这是因为当CTR0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。
IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体
管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体
三极管输出特性相似。
3、光电耦合器可作为线性耦合器使用在发光二极管上一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。
光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。
在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。
实用技巧光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特
点。
对于既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分的工业应用测控系统，采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。
但是，使用光耦隔离需要考虑以下几个问题：①光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问题;②光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题;③如果输出有功率要求的话，还得考虑光耦的功率接口设计问题。
1：光电耦合器非线性的克服光电耦合器的输入端是发光二极管，因此，它的输入特性可用发光二极管的伏安特性来表示;输出端是光敏三极管，因此光敏三极管的伏安特性就是它的输出特性。
由此可见，光电耦合器存在着非线性工作区域，直接用来传输模拟量时精度较差。
解决方法之一，利用2个具有相同非线性传输特性的光电耦合器，T1和T2，以及2个射极跟随器A1和A2组成。
如果T1和T2是同型号同批次的光电耦合器，可以认为他们的非线性传输特性是完全一致的，即K1(I1)=K2(I1)，则放大器的电压增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=(R3/R2)
=R3/R2。
由此可见，利用T1和T2电流传输特性的对称性，利用反馈原理，可以很好的补偿他们原来的非线性。
另一种模拟
量传输的解决方法，就是采用VFC(电压频率转换)方式。
现场变送器输出模拟量信号(假设电压
信号)，电压频率
转换器将变送器送来的电压信号转换成脉冲序列，通过光耦隔离后送出。
在主机侧，通过一个频率电压转换电路将脉冲序列还原成模拟信号。
此时，相当于光耦隔离的是数字量，可以消除光耦非线性的影响。
这是一种有效、简单易行的模拟量传输方式。
当然，也可以选择线性光耦进行设计，如精密线性光耦TIL300，高速线性光耦6N135/6N136。
线性光耦一般价格比普通光耦高，但是使用方便，设计简单;随着器件价格的下降，使用线性光耦将是趋势。
2：提高光电耦合器的传输速度当采用光耦隔离数字信号进行控制系统设计时，光电耦合器的传输特性，即传输速度，往往成为系统最大数据传输速率的决定因素。
在许多总线式结构的工业测控系统中，为了防止各模块之间的相互干扰，同时不降低通讯
波特率，我们不得不采用高速光耦
来实现模块之间的相互隔离。
常用的高速光耦有6N135/6N136，6N137/6N138。
但是，高速光耦价格比较高，导致设计成本提高。
这里介绍两种方法来提高普通光耦
的开关速度。
由于光耦自身存在的分布电容
，对传输速度造成影响，光敏三极管内部存在着分布电容Cbe和Cce。
由于光耦的电流传输比较低，其集电极负载电阻不能太小，否则输出电压的摆幅就受到了。
但是，负载
电阻又不宜过大，负载电阻RL越大，由于分布电容的存在，光电耦合器的频率特性就越差，传输延时也越长。
用2只光电耦合器T1，T2接成互补推挽式电路，可以提高光耦的开关速度。
当脉冲上升为“1”电平时，T1截止，T2导通。
相反，当脉冲为“0”电平时，T1导通，T2截止。
这种互补推挽式电路的频率特性大大优于单个光电耦合器的频率特性。
此外，在光敏三极管的光敏基极上增加正反馈电路，这样可以大大提高光电耦合器的开关速度。
通过增加一个晶体管，四个电阻和一个电容，实验证明，这个电路可以将光耦的最大数据传输速率提高10倍左右。
3：光耦的功率接口设计微机测控系统中，经常要用到功率接口电路，以便于驱动各种类型的负载，如直流伺服电机、步进电机、各种电磁阀等。
这种接口电路一般具有带负载
能力强、输出电流大、工作电压高的特点。
工程实践表明，提高功率接口的抗干扰能力，是保证工业自动化装置正常运行的关键。
就抗干扰
设计而言，很多场合下，既能采用光电耦合器隔离驱动，也能采用继电器隔离驱动。
一般情况下，对于那些响应速度要求不很高的启停作，我们采用继电器隔离来设计功率接口;对于响应时间要求很快的控制系统，采用光电耦合器进行功率接口电路设计。
这是因为继电器的响应延迟时间需几十ms，而光电耦合器的延迟时间通常都在10us之内，同时采用新型、集成度高、使用方便的光电耦合器进行功率驱动接口电路设计，可以达到简化电路
设计，降低散热的目的。
对于交流负载，可以采用光电可控硅驱动器进行隔离驱动设计，例如TLP541G，4N39。
光电可控硅驱动器
，特点是耐压高，驱动电流
不大，当交流负载电流较小时，可以直接用它来驱动。
当负载电流较大时，可以外接功率双向可控硅。
其中，R1为限流电阻，用于光电可控硅的电流;R2为耦合电阻，其上的分压用于触发功率双向可控硅。
当需要对输出功率进行控制时，可以采用光电双向可控硅驱动器，例如MOC3010。
产品检测1、用万用表判断好坏，断开输入端电源，用R×1k档测1、2脚电阻，正向电阻为几百欧，反向电阻几十千欧，3、4脚间电阻应为无限大。
1、2脚与3、4脚间任意一组，阻值为无限大，输入端接通电源后，3、4脚的电阻很小。
调节RP，3、4间脚电阻发生变化，说明该器件是好的。
注：不能用R×10k档，否则导致发射管击穿。
2、简易测试电路，当接通电源后，LED不发光，按下SB，LED会发光，调节RP、LED的发光强度会发生变化，说明被测光电耦合器是好的。
应用场合由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用以下场合：⑴在逻辑电路上的应用⑵作为固体开关应用⑶在触发电路上的应用⑷在脉冲放大电路中的应用光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。
⑸在线性电路上的应用⑹特殊场合的应用发展现状
光电耦合器的市场虽不太大，但却以40%的年增长率增大，其主要原因是每一个程序控制器里都要用到20～30个甚至更多的光电耦合器。
光电耦合器已显示出一种超大容量和高速度方向发展的明显趋势。
美、日两国生产的光电耦合器以红外发光二极管和光敏器件管组成的器件为主，该类器件大约占整个美、日两国生产的全部光电耦合器的60%左右。
因为这种类型的器件不仅电流
传输效率高(一般为7～30%)，而且响应速度比较快(2～5μs)，因而能够满足大多数应用场合要求。
横河电机公司用GaAsP红外发光二极管
作输入端，PIN光电二极管作接收端制成的三种高速光电耦合器的绝缘电压都在3000伏以上，其中5082—43610型超高速数字光电耦合器和5082—4361型高共模抑制型光电耦合器的响应速度均可达到10Mb/s，它们的电流传输效率高达60%以上。
美国莫托罗拉公司生产的4N25、4N26、4N27型光电耦合器属于三极管输出型光电耦合器
，这种光电耦合器具有很高的输入、输出绝缘性能，其频率响应可达300kHz，而开关时间只有几微秒。
在电气公司(NEC)生产的高速光电耦合器中，PS2101型光电耦合器是一种通用的四脚扁平组件，它采用砷铝镓红外发光二极管
和硅光电晶体
管组合而成，并将其封装4×4.4×2立方毫米的体积之内，其响应速度为10μs。
而PS2041和PS2042型光电耦合器则是将砷铝镓发光二极管和光电晶体管集成在同一衬底上的六脚封装组件，它们的大小为7.08×7.6×3.5立方毫米，响应时间为0.3μs。
中国国内有关单位投入大量人力物力也研究和开发了各种光电耦合器件。
如上海半导体器件八厂、上海无线电十七厂等。
而重庆光电技术研究所为了适应市场需要研制出了一种由高速响应发光器件和逻辑
输出型光接收放大器组成的厚膜集成双路高速高增益电耦合器。
这种光电耦合器的输入端由两只GaAIAs侧面发光管组成，其输出端由两只Si—PIN光电探测器以及两个高速高增益线性放大电路组成。
除此之外，重庆光电技术研究所还研制出了高速高压光电耦合器、GG2150I型射频信号光电耦合器、GG2060I型高压脉冲测量光电耦合器
、GH1204U型高压光传输光电耦合器以及GH1201Y型和GOHQ-I型光电耦合器等。
典型应用用作固体继电器采用光电耦合器作固体继电器具有体积小、耦合密切、驱动功率小、动作速度快、工作温度
范围宽等优点。
图3所示是一个光电耦合器用作固体继电器的实际电路图，它的左半部分电路可用于将输入的电信号Vi变成光电耦合器内发光二极管发光的光信号;而右半部分电路则通过光电耦合器内的光敏三极管再将光信号还原成电信号，所以这是一种非常好的电光与光电联合转换器件。
光电耦合器的电流传输比为20%，耐压为150V，驱动电流在8～20mA之间。
在实际使用中，由于它没有一般电磁继电器
常见的实际接点，因此不存在接触不良和燃弧打火等现象，也不会因受外力或机械冲击而引起误动作。
所以，它的性能比较可靠，工作十分稳定。
在电话保安装置中应用为了防止电话线路被并机窃用或电话机被盗用通话，可以利用光电耦合器来设计一个简单实用的电话保安电路，由VD1～VD4组成极性转换电路。
由于在将本保安器接入电话线路中时，不需要分清电话线路反馈电压的极性，因此，使用该保安器可以给安装带来很大的方便。
代替音频变压器在线性电路中，两级放大器之间常用音频
变压器作耦合。
这种耦合的缺点是会在变压器铁芯片中损耗掉一部分功率，并可能造成某些失真。
而如果选用光电耦合器来代替音频变压器就可以克服上述这些缺点。
当输入信号Vi经三极管BG1、BG2前级放大之后，驱动光电耦合器左边的LED发光，并被右边的光敏管全部吸收并转换成电信号，此信号经后级电路BG3放大，并由该管的发射极通过电容器
C3后输出一个不失真的放大信号V0。
由于该电路将前后两级放大器之间完全隔离，因而杜绝了地环路可能引起的干扰。
同时由于该电路还具有消噪功能，因此避免了信号
的失真。
整个电路的总增益可望达到20dB以上，带宽约120kHz。
在逻辑电路上的应用光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠。
作为固体开关应用在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。
在触发电路上的应用将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，可有效地解决输出与负载隔离地问题。
脉冲放大电路中的应用光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。
在线性电路上的应用线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离性能。
特殊场合的应用光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于A/D电路等多种场合。