光耦的工作原理、种类、优点、作用

光耦的定义：

耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦，是开关电源电路中常用的器件。

光耦的工作原理：

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。

光耦的优点：

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。

光耦的种类：

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。PC111TLP521等常用的六脚线性光耦有：LP632TLP532PC614PC714PS2031等。常用的4N254N264N354N36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。

光耦的作用：

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：

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)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。

(5)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。

(6)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。

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CTR＜50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流(IF＞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CTR＞200%，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。

③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，目前在国内应用地十分普遍。鉴于此类光耦合器呈现开关特性，其线性度差，适宜传输数字信号(高、低电平)，因此不推荐用在开关电源中。

3线性光耦合器应用举例

多路输出式电源变换器电路如图3所示。其输入电压为36V到90V的准方波电压，三路输出分为：UO1＝＋5V(2A)，UO2＝＋15V(0.17A)，UO3＝－15V(0.17A)。现将UO1定为主输出，其电压调整率SV＝±0.4%；UO2和UO3为辅输出，总电源效率可达75%～80%。电路中采用一片TOP104Y型三端单片开关电源集成电路。主输出绕组电压经过VD2、C2、L1和C3整流滤波后，得到＋5V电压。VD2采用MBR735型35V／7.5A肖特基二极管。两个辅输出绕组及输出电路完全呈对称结构。因为±15V输出电流较小，故整流管VD4和VD5均采用UF4002型100V／1A的超快恢复二极管。由线性光耦CNY17-2和可调式精密并联稳压器TL431C构成光耦反馈式精密开关电源，可以对＋5V电压进行精密调整。反馈绕组电压通过VD3、C4整流滤波后，得到12V反馈电压。由P6KE120型瞬态电压抑制器和UF4002型超快恢复二极管构成的漏极钳位保护电路，能吸收由高频变压器漏感形成的尖峰电压，保护芯片内部的功率场效应管MOSFET不受损坏。

外部误差放大器由TL431C组成。当+5V输出电压升高时，经R3、R4分压后得到的取样电压，就与TL431C中的2.5V带隙基准电压进行比较，使其阴极电位降低，LED的工作电流IF增大，再通过线性光耦IC2（CNY17-2）使控制端电流IC增大，TOP104Y的输出占空比减小，使UO1维持不变，达到稳压目的。+5V稳压值UO1则由TL431C、光耦中的LED正向压降来设定。R1是LED的限流电阻。误差放大器的频率响应由C5、R2和C6来决定。C5的作用有三个：滤除控制端上的尖峰电压；决定自动重启动频率；与R2一起对控制回路进行补偿。

干货｜光耦合电路讲解，工作原理+电路案例，通俗易懂，带你搞定

大家好，我是李工，创作不易，希望大家多多支持我。今天给大家分享的是

主要是关于：光耦合器工作原理 、光耦合器类型 、光耦合器的工作模式 、光耦合器的作用 、光耦合器的应用 。

一、光耦合器

光耦合器 是在两个隔离电路之间传输电信号 的电子元件，也就是说将电信号从一个电路传输到另一个电路 。（具体的如下图所示。）

光耦合器

光耦合器 也称为光隔离器、光耦合器或光隔离器。

通常在电路中，尤其是低电压或高噪声敏感电路中，光耦合器 用于隔离电路 以防止电气碰撞机会或排除不需要的噪声。

二、光耦耦合器的内部结构

光耦合器的内部结构

上图为光耦合器的内部结构。左侧的 1引脚和 2 引脚外露，是一个 LED 。LED向光敏三极管 发出红外光 在右侧。

光电晶体管是通过其集电极和发射极来切换输出电路，在这一点上与典型的 BJT 晶体管相同。

LED 的强度直接控制光电晶体管，因为两个独立的电路可以由光耦合器控制。

另外，光电晶体管和红外 LED 之间的空间是透明的非导电材料 ，隔离了两个不同的电路。 LED 和光电晶体管之间的中空空间可以使用玻璃、空气或透明塑料制成，电气隔离要高得多，通常为10 kV 或更高。

三、光耦合器工作原理

光耦合器 由作为 LED 的发射器 和作为光敏元件的接收器 组成。

当 LED 发出光并且光照射到光电传感器（光电二极管、光电晶体管、PhotoTriac）上时，光电传感器开始流动电流。在这个系统中，输入光与输出端的电流成正比。

光耦合器工作原理

当给 LED 供电时，LED 发光，光线落在光电晶体管的基极上，光落在光电晶体管的基极上后，将被激活，并且可以控制与晶体管相连的输出电路。

这里输入电路只连接光耦的 LED 引脚，输出电路连接光电晶体管，输入和输出电路完全电气隔离。

光耦合器工作原理动图

四、光耦合器的工作模式

1、饱和模式

在饱和模式下，LED 将打开或关闭，因此，输出晶体管完全关闭或完全打开，这意味着导通或非导通模式。

此模式用于需要保护微控制器引脚免受输出电路高压影响的地方 。例如，在使用微控制器的电机驱动中，电机需要高电流和高电压。在此模式下，电机将完全开启或关闭。

2、线性模式

在这种模式下，LED 会得到一个变化的信号脉冲。LED 光线通过电压或信号样本来改变或控制，然后光电晶体管还为输出提供可变传导。

用于开关模式电源 (SMPS) 或控制需要在输出端进行错误检测的不同电路 。

3、光电二极管与光电晶体管光耦合器

光电二极管光电耦合器在电流和光之间的线性关系上优于光电晶体管光电耦合器 。尽管光电晶体管光耦合器可以通过改变进入光电晶体管基极的 LED 光束来传递宽频率的模拟音频信号。当光束到达其基极时，晶体管的输出会发生变化以放大。但在高频处可能会出现一些失真。

尽管光电二极管的输出信号幅度远小于光电晶体管提供的输出，但光电二极管光耦的输入光和输出电流关系在大多数音频和一些数字信号中都很好。

光电二极管与光电晶体管光耦合器

五、光耦合器类型

1、光晶体管光电耦合器

基于晶体管的光耦合器用于直流电路相关的隔离。

在上图中，内部结构显示在光电晶体管光电耦合器内部。晶体管类型可以 PNP，也可以是 NPN。

根据输出引脚的可用性，光电晶体管可以进一步分为两种类型。在左边的第二张图片中，有一个额外的引脚输出，在内部与晶体管的基极相连。

该引脚 6 用于控制光电晶体管的灵敏度 。该引脚通常用于使用高阻值电阻与地连接或负极连接。在这种配置中，可以有效地控制由于噪声或电气瞬变引起的误触发。

此外，在使用基于光电晶体管的光耦合器之前，必须知道晶体管的最大额定值。PC816、PC817、LTV817、K847PH 是少数广泛使用的基于光电晶体管的光耦合器。

2、光达林顿晶体管光耦合器

在上图中，有两种类型的符号，显示了基于光达林顿晶体管 的光耦合器的内部结构。

达林顿晶体管是两个晶体管对，其中一个晶体管控制另一个晶体管基极。在这种配置中，达林顿晶体管提供高增益能力。像往常一样，LED 发出红外 LED 并控制对晶体管的基极。

这种类型的光耦也用于直流电路相关领域的隔离。第 6 个引脚在内部连接到晶体管的基极，用于控制晶体管的灵敏度。4N32、4N33、H21B1、H21B2、H21B3 是少数基于光达林顿的光耦合器示例。

3、基于 光三端双向晶闸管的光耦合器

基于 光三端双向晶闸管的光耦合器

光管三端双向晶闸主要用于需要基于 AC 的控制或开关的场合。LED 可以使用 DC 控制，三端双向晶闸 用于控制 AC。

在这种情况下，光耦合器也提供了出色的隔离。这是一个双向可控硅应用程序。基于光 三端双向晶闸 的光耦合器示例是IL420、4N35等。

四、基于晶闸管的光耦合器

基于晶闸管的光耦合器

SCR 代表可控硅整流器 ，SCR也称为晶闸管 。

与其他光耦合器一样，LED 发射红外线。可控硅由 LED 的强度控制。 基于光电可控硅的光电耦合器，用于交流相关电路。

基于光 SCR 的光耦合器的几个例子是：- MOC3071、IL400、MOC3072 等。

六、光耦合器的作用

1、保护高敏感电路免受高压电路

如果你需要使用带有微控制器的命令来驱动高压电机，那么光耦合器 将为开关系统提供 电机和微控制器输出之间的完全电气隔离连接。

2、防止高压尖峰

光耦合器还用作具有比保险丝更先进的功能的保险丝 。在电路中，光耦合器用于使用数字信号或使用非常低的电压来切换系统，但如果出现电压尖峰或出现浪涌电流，则整个输出电路将不受影响，因为光耦合器仅损坏并停止将当前传递到下一部分。

3、使用光耦合器检测交流电源的过零

由于响应时间非常快（纳秒级），光耦合器的开关非常快 ，它被广泛用于通过整流器检测交流电源的过零，并且通过使用这个数字信号可以找到我们需要的波形变化。

使用光耦合器检测交流电源的过零

4、用于消除信号中的电噪声

七、光耦合器的应用

直流电路中使用的光耦合器很少，交流相关操作中使用的光耦合器也很少 。由于光耦不允许两侧直接电连接，所以光耦的主要应用是隔离两个电路 。

从切换其他应用程序，就像可以使用晶体管来切换应用程序一样，可以使用光耦合器。它可用于各种与微控制器相关的操作，其中需要来自高压电路的数字脉冲或模拟信息，光耦合器可用于在这两者之间实现出色的隔离。

光耦可用于交流检测、直流控制相关操作。下面为光耦合器的一些应用。

1、用于开关直流电路的光耦合器：

用于开关直流电路的光耦合器

在上面的电路中，使用了基于光电晶体管的光耦合器电路 ，是一个典型的晶体管开关。

在原理图中，使用了基于低成本光电晶体管的光电耦合器PC817 。红外线LED将由 S1 开关控制。当开关打开时，9V 电池电源将通过限流电阻 10k 为 LED 提供电流。强度由 R1 电阻控制。如果我们改变值并降低电阻，LED的强度会很高，使晶体管增益很高。

另一方面，晶体管是由内部红外 LED 控制的光电晶体管，当 LED 发出红外光时，光电晶体管将接触，VOUT 将为 0，关闭连接在其上的负载。根据数据表，晶体管的集电极电流为 50mA，R2 提供 VOUT 5v，R2 是一个上拉电阻。

在这种配置中，基于光电晶体管的光耦合器可以与微控制器一起用于检测脉冲或中断 。

2、用于检测交流电压的光耦合器：

用于检测交流电压的光耦合器

这里显示了另一个电路来检测交流电压 。红外线 LED 使用两个 100k 电阻控制，使用两个 100k 电阻代替一个 200k 电阻是为了在短路相关条件下提供额外的安全性。LED 连接在墙上插座线 (L) 和中性线 (N) 上。当按下 S1 时，LED 开始发射红外线。光电晶体管做出响应并将 VOUT 从 5V 转换为 0V。

在这种配置中，光耦合器可以跨低压电路连接 ，例如需要交流电压检测的微控制器单元，输出将产生方形高到低脉冲。

3、使用直流电压控制交流电路的光耦合器：

使用直流电压控制交流电路的光耦合器

在上面电路中，LED 再次由 9V 电池通过 10k 电阻和开关的状态来控制。 另一方面，使用基于光电 TRIAC 的光耦合器 ，从 220V 交流插座控制交流灯。68 R 电阻用于控制 BT136 TRIAC，由光耦单元内部的光电 TRIAC 控制。

这种配置用于控制使用低压电路的电器 。IL420 用在上面的原理图中，是一个基于光 TRIAC 的光耦合器。

除了这种类型的电路之外，还可以在 SMPS 中使用光耦合器，将次级侧短路或过流状况信息发送到初级侧。

以上就是关于 光耦合电路 的知识，希望大家多多支持 我，得点赞 ，关注 ，有问题欢迎在评论区留言 ，大家一起讨论 。

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