光耦电路

光电耦合器(opticalcoupler，英文缩写为OC)亦称光电隔离器或光耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光二极管发出光线，光敏三极管接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在数字电路上获得广泛的应用。
　　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。
　　在光耦电路设计中，有两个参数常常被人忽视，需要格外注意，一个是反向电压Vr(ReverseVoltage)，是指原边发光二极管所能承受的最大反向电压，超过此反向电压，可能会损坏LED。而一般光耦中，这个参数只有5V左右，在存在反压或振荡的条件下使用时，要特别注意不要超过反向电压。如，在使用交流脉冲驱动LED时，需要增加保护电路。

另外一个参数是光耦的电流传输比(currenttransferratio，简称CTR),是指在直流工作条件下，光耦的输出电流与输入电流之间的比值。光耦的CTR类似于三极管的电流放大倍数，是光耦的一个极为重要的参数，它取决于光耦的输入电流和输出电流值及电耦的电源电压值，这几个参数共同决定了光耦工作在放大状态还是开关状态，其计算方法与三极管工作状态计算方法类似。若输入电流、输出电流、电流传输比设计搭配不合理，可能导致电路不能工作在预想的工作状态。
　　除上述两个参数外，光耦还有几个参数是比较重要的，如：
　　1)正向工作电压Vf(ForwardVoltage)，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=10mA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)集电极电流Ic(CollectorCurrent)光敏三极管集电极所流过的电流，通常表示其最大值。
　　3)C-E饱和电压Vce(sat)(C-ESaturationVoltage)，即光敏三极管的集电极-发射极饱和压降。
　　4)上升时间Tr(RiseTime)&下降时间Tf(FallTime)，其定义与典型测试方法如下图所示，它们反映了工作在开关状态的光耦，其开关速度情况。

 

光耦电路用作开关作用：

 

1 理解光耦
光耦是隔离传输器件，原边给定信号，副边回路就会输出经过隔离的信号。对于光耦的
隔离容易理解，此处不做讨论。
以一个简单的图（图.1）说明光耦的工作：原边输入信号Vin，施加到原边的发光二极
管和Ri 上产生光耦的输入电流If，If驱动发光二极管，使得副边的光敏三极管导通，回路
VCC、RL 产生Ic,Ic经过RL产生Vout，达到传递信号的目的。原边副边直接的驱动关联是

CTR（电流传输比），要满足Ic≤If*CTR

光耦一般会有两个用途：线性光耦和逻辑光耦，我们上面知道Ic≤If*CTR，那么可以对电路分为

Ic

第一部分：Ic 工作在开关状态的光耦副边三极管饱和导通，管压降<0.4V，Vout约等于Vcc（Vcc-0.4V
左右），Vout 大小只受Vcc大小影响。此时Ic

第二部分：Ic=If*CTR
工作在线性状态的光耦，Ic=If*CTR，副边三极管压降的大小等于Vcc-Ic*RL，Vout= Ic*RL
=(Vin-VF)/Ri * CTR*RL，Vout 大小直接与Vin 成比例，一般用于反馈环路里面。

实例说明：
举例分析，例如图.1中的光耦电路，假设 Ri = 1k,Ro = 1k,光耦CTR= 50%，光耦导通
时假设二极管压降为1.6V，副边三极管饱和导通压降Vce=0.4V。输入信号Vi 是5V的方波，
输出Vcc 是3.3V。Vout 能得到3.3V 的方波吗？
我们来算算：If = (Vi-1.6V)/Ri = 3.4mA
副边的电流限制：Ic’ ≤ CTR*If = 1.7mA
假设副边要饱和导通，那么需要Ic’ = (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA，大于电流通道限
制，所以导通时，Ic会被光耦限制到1.7mA， Vout = Ro*1.7mA = 1.7V

所以副边得到的是1.7V 的方波。
为什么得不到3.3V 的方波，可以理解为图.1 光耦电路的电流驱动能力小，只能驱动
1.7mA 的电流，所以光耦会增大副边三极管的导通压降来限制副边的电流到1.7mA。
解决措施：增大If；增大CTR；减小Ic。对应措施为：减小Ri 阻值；更换大CTR 光耦；
增大Ro 阻值。
将上述参数稍加优化，假设增大Ri 到200欧姆，其他一切条件都不变，Vout能得到3.3V
的方波吗？
重新计算：If = (Vi – 1.6V)/Ri = 17mA；副边电流限制Ic’ ≤ CTR*If = 8.5mA，远
大于副边饱和导通需要的电流(2.9mA)，所以实际Ic = 2.9mA。
所以，更改Ri 后，Vout 输出3.3V 的方波。
开关状态的光耦，实际计算时，一般将电路能正常工作需要的最大Ic 与原边能提供的
最小If 之间 Ic/If 的比值与光耦的CTR 参数做比较，如果Ic/If ≤CTR，说明光耦能可靠
导通。一般会预留一点余量（建议小于CTR 的90%）。