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光电耦合器工作原理

来源: 电子产品世界
2020-10-27
类别:基础知识
eye 17
文章创建人 拍明

原标题:光电耦合器工作原理

一、光电耦合器核心定义与功能

光电耦合器(简称光耦)是一种通过光信号实现电隔离的半导体器件,其核心功能包括:

  1. 电气隔离:阻断输入/输出电路的直接电连接,防止高压干扰或击穿。

  2. 信号传输:将电信号转换为光信号,再还原为电信号,实现跨隔离域的信号传递。

  3. 抗干扰:消除共模噪声、地环路干扰,提升系统稳定性。

  4. 安全保护:隔离高压与低压电路,保护敏感元件(如MCU)。

二、光电耦合器内部结构与工作原理

1. 典型结构
  • 输入端:发光二极管(LED),将电信号转换为光信号。

  • 输出端:光探测器(如光敏三极管、光敏达林顿管、光可控硅等),将光信号还原为电信号。

  • 隔离介质:透明环氧树脂或空气,实现输入/输出电路的电气绝缘(耐压可达5kV以上)。

2. 工作流程
  • 正向过程

    1. 输入端施加正向电压(如LED导通电压1.2V~1.5V),LED发光。

    2. 光子穿透隔离层,照射至输出端光探测器。

    3. 光探测器受光激发,产生电流或电压变化(如光敏三极管基极电流驱动集电极电流)。

  • 反向过程

    • 无光时(LED熄灭),输出端截止(高阻态),信号传输中断。

3. 关键物理过程
  • 光发射:LED的PN结在正向偏压下,电子-空穴复合释放光子(波长通常为红外或可见光)。

  • 光探测:光探测器吸收光子后产生载流子(电子-空穴对),形成光电流(如光敏三极管的基极电流)。

  • 隔离特性:输入/输出电路通过光信号耦合,无直接电气连接,绝缘电阻>10¹²Ω,耐压可达数千伏。

三、光电耦合器分类与输出特性

1. 按输出端类型分类


类型输出端结构典型应用特点
光敏三极管型光敏三极管(NPN/PNP)数字信号隔离、开关控制电流传输比(CTR)高(50%~200%),线性度一般
光敏达林顿型光敏三极管+普通三极管复合驱动大电流负载(如继电器)放大倍数高(可达10⁴),响应速度较慢
光可控硅型光触发双向可控硅(TRIAC)交流负载控制(如电机调速)耐压高(>600V),可驱动感性负载
光MOS型光敏MOS管(光隔离栅极驱动)高速开关、PWM信号隔离输入阻抗高,驱动电流小,响应快(ns级)
光IC型集成运算放大器或比较器模拟信号隔离、精密检测线性度好(<0.1%),带宽高(MHz级)


2. 核心参数对比


参数定义与意义典型值(光敏三极管型)影响
电流传输比(CTR)输出电流(IC)与输入电流(IF)之比(CTR=IC/IF×100%)50%~200%CTR越高,驱动负载能力越强,但温度稳定性较差
隔离电压(VIso)输入/输出端可承受的最大直流电压(通常1kV~10kV)5kV(DC)决定高压隔离能力,需符合安全标准(如UL、VDE)
响应时间(tr/tf)输出信号从10%升至90%或从90%降至10%所需时间2~10μs(光敏三极管)响应越快,可传输的信号频率越高(如光MOS型<100ns)
输入阈值电流(IFth)LED导通的最小正向电流1~5mAIFth越低,功耗越小,但抗干扰能力可能下降
输出饱和压降(VCEsat)光敏三极管饱和导通时的集电极-发射极电压0.1~0.3V(IF=10mA)VCEsat越小,驱动效率越高


四、光电耦合器典型应用场景

1. 数字信号隔离
  • 场景:MCU与高压电路(如电机驱动、电源模块)的信号传递。

  • 要求:高速响应(<10μs)、高CTR(保证信号完整性)。

  • 方案:光敏三极管型光耦(如PC817),搭配上拉电阻提高驱动能力。

2. 交流负载控制
  • 场景:交流电机调速、照明调光。

  • 要求:耐高压(>600V)、可驱动感性负载。

  • 方案:光可控硅型光耦(如MOC3023),零交叉触发降低EMI。

3. 模拟信号隔离
  • 场景:传感器信号(如温度、压力)的隔离传输。

  • 要求:高线性度(<0.1%)、低噪声。

  • 方案:光IC型光耦(如HCNR201),搭配反馈电路补偿非线性。

4. 电源系统保护
  • 场景:开关电源的反馈环路隔离,防止高压击穿控制芯片。

  • 要求:高带宽(MHz级)、快速响应。

  • 方案:光MOS型光耦(如ACPL-332J),实现高速PWM信号隔离。

五、光电耦合器选型指南

  1. 隔离需求

    • 高压应用:选VIso≥系统电压(如工业控制选5kV以上)。

    • 安全认证:优先通过UL、VDE认证的型号(如UL1577标准)。

  2. 信号类型

    • 数字信号:CTR>100%、响应时间<10μs(如PC817)。

    • 模拟信号:线性度<0.1%、带宽>1MHz(如HCNR201)。

  3. 负载能力

    • 小电流负载:CTR=50%~100%即可。

    • 大电流负载:选CTR>200%或达林顿型(如TLP521)。

  4. 环境适应性

    • 高温:选工作温度范围-40℃~125℃的型号(如汽车级光耦)。

    • 湿度:封装需防潮(如双列直插DIP-8或贴片SMD封装)。

六、常见问题与解决方案


问题原因解决方案
CTR退化长期高温工作导致LED发光效率下降、光探测器灵敏度降低选宽温范围型号(如-40℃~125℃)、降低工作电流(IF<IFmax的70%)
响应速度慢光敏三极管基区存储电荷效应、结电容大改用光MOS型或高速光IC型(如6N137)
隔离失效输入/输出端电压过高击穿隔离层、封装裂纹确认VIso参数,选带爬电距离的封装(如SOP-8)、避免机械应力
噪声干扰LED驱动电流波动、光探测器暗电流加滤波电容(输入端100nF,输出端10μF)、采用差分传输
温度漂移CTR随温度变化(典型-0.5%/℃)选温度补偿型光耦(如双LED对称结构)、降低工作温度


七、光电耦合器与替代技术对比


技术隔离方式典型带宽隔离电压成本典型应用
光电耦合器光信号隔离DC~10MHz1kV~10kV中等工业控制、电源、通信
数字隔离器(磁耦)磁耦合(变压器)DC~100MHz2.5kV~5kV高速通信、USB隔离、医疗设备
电容隔离器电容耦合(交变电场)DC~150MHz5kV~7kV高压隔离、ADC隔离
变压器隔离电磁感应DC~1MHz1kV~10kV电源隔离、信号传输

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  • 选型建议

    • 低速、高压场景:优先光电耦合器(如PC817)。

    • 高速、低功耗场景:选数字隔离器(如ADuM1201)。

    • 高集成度需求:选电容隔离器(如ADI的iCoupler系列)。

八、光电耦合器设计实例

1. 数字信号隔离电路
  • 关键参数

    • LED正向电流IF=(5V-1.2V)/220Ω≈17mA(典型工作电流)。

    • 上拉电阻值根据输出负载电流选择(如驱动LED需10mA,则R=5V/10mA=510Ω)。

2. 模拟信号隔离电路
  • 设计要点

    • 光IC型光耦(如HCNR201)需搭配反馈电路(如运放)补偿非线性。

    • 输入信号范围需匹配LED驱动电流(如0~10mA对应0~5V输入)。

总结

光电耦合器通过光信号隔离实现输入/输出电路的电气绝缘,其核心参数(CTR、VIso、响应时间)和应用场景(数字隔离、交流控制、模拟传输)需根据实际需求精准匹配。

  • 选型核心:隔离电压、信号类型、负载能力、环境适应性。

  • 应用技巧

    • 数字信号选光敏三极管型,高速信号选光MOS型或光IC型。

    • 模拟信号需补偿非线性,交流负载用光可控硅型。

    • 加滤波电路抑制噪声,避免过压击穿。

通过深入理解其工作原理与参数特性,可充分发挥光电耦合器在高压隔离、抗干扰、安全保护中的关键作用!


责任编辑:David

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