光耦合器,光耦合器工作原理是什么?

光耦合器（optical coupler，英文縮寫(xiě)為OC）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—光—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。

光耦合器的性能

光耦合器傳輸?shù)男盘?hào)可以為數(shù)字信號(hào)，也可以為模擬信號(hào)，只是對(duì)器件要求不同，故選擇時(shí)應(yīng)針對(duì)輸入信號(hào)選擇相應(yīng)的光電耦合器。模擬信號(hào)所用光耦常稱(chēng)為線(xiàn)性光耦，光電耦合器在傳輸信號(hào)的原理上與隔離變壓器相同，但它體積小，傳輸信號(hào)的頻率高，使用方便，光電耦合器一般采用DIP封裝。

用于傳遞模擬信號(hào)的光耦合器的發(fā)光器件為二極管、光接收器為光敏三極管。當(dāng)有電流通過(guò)發(fā)光二極管時(shí)，便形成一個(gè)光源，該光源照射到光敏三極管表面上，使光敏三極管產(chǎn)生集電極電流，該電流的大小與光照的強(qiáng)弱，亦即流過(guò)二極管的正向電流的大小成正比。由于光耦合器的輸入端和輸出端之間通過(guò)光信號(hào)來(lái)傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒(méi)有電信號(hào)的反饋和干擾，故性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容?。?pf左右）、耐壓高(2.5KV左右)，故共模抑制比很高。輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供電電源間的絕緣電阻。此外，因其輸入電阻小（約10Ω），對(duì)高內(nèi)阻源的噪聲相當(dāng)于被短接。因此，由光耦合器構(gòu)成的模擬信號(hào)隔離電路具有優(yōu)良的電氣性能。

事實(shí)上，光耦合器是一種由光電流控制的電流轉(zhuǎn)移器件，其輸出特性與普通雙極型晶體管的輸出特性相似，因而可以將其作為普通放大器直接構(gòu)成模擬放大電路，并且輸入與輸出間可實(shí)現(xiàn)電隔離。然而，這類(lèi)放大電路的工作穩(wěn)定性較差，無(wú)實(shí)用價(jià)值。究其原因主要有兩點(diǎn)：一是光耦合器的線(xiàn)性工作范圍較窄，且隨溫度變化而變化；二是光耦合器共發(fā)射極電流傳輸系數(shù)β和集電極反向飽和電流ICBO(即暗電流)受溫度變化的影響明顯。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，除應(yīng)選用線(xiàn)性范圍寬、線(xiàn)性度高的光耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)隔離外，還必須在電路上采取有效措施，盡量消除溫度變化對(duì)放大電路工作狀態(tài)的影響。

從光耦合器的轉(zhuǎn)移特性與溫度的關(guān)系可以看出，若使光耦合器構(gòu)成的模擬隔離電路穩(wěn)定實(shí)用，則應(yīng)盡量消除暗電流（ICBO）的影響，以提高線(xiàn)性度，做到靜態(tài)工作點(diǎn)IFQ隨溫度的變化而自動(dòng)調(diào)整，以使輸出信號(hào)保持對(duì)稱(chēng)性，使輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍隨溫度變化而自動(dòng)變化，以抵消β值隨溫度變化的影響，保證電路工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。

光耦合器的類(lèi)型

光耦合器有管式、雙列直插式和光導(dǎo)纖維式等封培育形式，其種類(lèi)達(dá)數(shù)十種。光耦合器的種類(lèi)達(dá)數(shù)十種，主要有通用型（又分無(wú)基極引線(xiàn)和基極引線(xiàn)兩種）、達(dá)林頓型、施密特型、高速型、光集成電路、光纖維、光敏晶閘管型（又分單向晶閘管、雙向晶閘管）、光敏場(chǎng)效應(yīng)管型。此外還有雙通道式（內(nèi)部有兩套對(duì)管）、高增益型、交-直流輸入型等等。國(guó)外生產(chǎn)廠家有英國(guó)ISOCOM公司等，國(guó)內(nèi)廠家的蘇州半導(dǎo)體總廠等。

光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)

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)產(chǎn)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。

光耦合器的BGA封裝

光耦合器的一項(xiàng)普遍應(yīng)用是專(zhuān)用調(diào)制解調(diào)器，允許電腦與電話(huà)線(xiàn)連接，且消除電氣瞬變引起的風(fēng)險(xiǎn)或損害。光耦合器除提供高度電氣絕緣外，還可提高差模信號(hào)與共模信號(hào)的比率。

DIP廣泛用于集成電路的封裝，也用于常規(guī)的光耦合器（如圖1所示）。廠家通常制造具有4、6、8或16接腳的各種型式DIP封裝光耦合器。

圖1 常規(guī)DIP光耦合器封裝

不過(guò)，P-DIP光耦合器的封裝可以進(jìn)一步改進(jìn)，例如，光耦合器封裝需要昂貴和費(fèi)時(shí)的過(guò)成型(overmolding)處理。在這個(gè)處理過(guò)程中，成型化合物灌封光耦合器封裝的其它部分。除過(guò)成型工藝本身外，還需要采取成型材料清除工藝(例如除廢物和除閃爍工藝)除掉多余的成型化合物，這就增加了光耦合器封裝的時(shí)間和費(fèi)用。

此外，廠家還需要投入較多的資金，用于成型不同"外形尺寸"封裝(如4、6或8接腳封裝)的工具，因此，如果能夠省去過(guò)成型工藝，就可減少制造光耦合器封裝的相關(guān)時(shí)間和成本。此外，DIP光耦合器封裝并不能很好地以表面附著方式安裝到PCB板上-必須重整引腳以便進(jìn)行表面安裝回流焊，這常常存在引起微小裂縫的危險(xiǎn)，影響組件的可靠性。更進(jìn)一步地，對(duì)于其它組件使用薄型表面安裝的封裝形式，如TSSOP或TQFT器件的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這樣重整后的DIP封裝的高度仍存在問(wèn)題。

光耦合器BGA2的設(shè)計(jì)特性可解決這些問(wèn)題，它是高度不超過(guò)1.20mm，占位面積小于現(xiàn)有的PDIP外形尺寸的低側(cè)高小型表面安裝組件。光耦合器BGA封裝（如圖2所示）不需要灌封材料(成型化合物)，而且它的制造工具與封裝的外形尺寸無(wú)關(guān)。其設(shè)計(jì)也可改善封裝在熱循環(huán)等加速測(cè)試中的可靠性能。采用無(wú)鉛焊球可構(gòu)建完全無(wú)鉛的封裝。

（3）對(duì)于無(wú)基極引線(xiàn)的通用型及達(dá)林頓型光耦合器，本方法不再適用。建議采用測(cè)電流傳輸比CTR的方法加以區(qū)分。