光耦合器,光耦合器工作原理是什么?

光耦合器,光耦合器工作原理是什么?

光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光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。

光耦合器的性能

光耦合器传输的信号可以为数字信号，也可以为模拟信号，只是对器件要求不同，故选择时应针对输入信号选择相应的光电耦合器。模拟信号所用光耦常称为线性光耦，光电耦合器在传输信号的原理上与隔离变压器相同，但它体积小，传输信号的频率高，使用方便，光电耦合器一般采用DIP封装。

用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）、耐压高(2.5KV左右)，故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外，因其输入电阻小（约10Ω），对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。

事实上，光耦合器是一种由光电流控制的电流转移器件，其输出特性与普通双极型晶体管的输出特性相似，因而可以将其作为普通放大器直接构成模拟放大电路，并且输入与输出间可实现电隔离。然而，这类放大电路的工作稳定性较差，无实用价值。究其原因主要有两点：一是光耦合器的线性工作范围较窄，且随温度变化而变化；二是光耦合器共发射极电流传输系数β和集电极反向饱和电流ICBO(即暗电流)受温度变化的影响明显。因此，在实际应用中，除应选用线性范围宽、线性度高的光耦合器来实现模拟信号隔离外，还必须在电路上采取有效措施，尽量消除温度变化对放大电路工作状态的影响。

从光耦合器的转移特性与温度的关系可以看出，若使光耦合器构成的模拟隔离电路稳定实用，则应尽量消除暗电流（ICBO）的影响，以提高线性度，做到静态工作点IFQ随温度的变化而自动调整，以使输出信号保持对称性，使输入信号的动态范围随温度变化而自动变化，以抵消β值随温度变化的影响，保证电路工作状态的稳定性。

光耦合器的类型

光耦合器有管式、双列直插式和光导纤维式等封培育形式，其种类达数十种。光耦合器的种类达数十种，主要有通用型（又分无基极引线和基极引线两种）、达林顿型、施密特型、高速型、光集成电路、光纤维、光敏晶闸管型（又分单向晶闸管、双向晶闸管）、光敏场效应管型。此外还有双通道式（内部有两套对管）、高增益型、交-直流输入型等等。国外生产厂家有英国ISOCOM公司等，国内厂家的苏州半导体总厂等。

光耦合器的主要优点

信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，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。

光耦合器的BGA封装

光耦合器的一项普遍应用是专用调制解调器，允许电脑与电话线连接，且消除电气瞬变引起的风险或损害。光耦合器除提供高度电气绝缘外，还可提高差模信号与共模信号的比率。

DIP广泛用于集成电路的封装，也用于常规的光耦合器（如图1所示）。厂家通常制造具有4、6、8或16接脚的各种型式DIP封装光耦合器。

图1 常规DIP光耦合器封装

不过，P-DIP光耦合器的封装可以进一步改进，例如，光耦合器封装需要昂贵和费时的过成型(overmolding)处理。在这个处理过程中，成型化合物灌封光耦合器封装的其它部分。除过成型工艺本身外，还需要采取成型材料清除工艺(例如除废物和除闪烁工艺)除掉多余的成型化合物，这就增加了光耦合器封装的时间和费用。

此外，厂家还需要投入较多的资金，用于成型不同"外形尺寸"封装(如4、6或8接脚封装)的工具，因此，如果能够省去过成型工艺，就可减少制造光耦合器封装的相关时间和成本。此外，DIP光耦合器封装并不能很好地以表面附着方式安装到PCB板上-必须重整引脚以便进行表面安装回流焊，这常常存在引起微小裂缝的危险，影响组件的可靠性。更进一步地，对于其它组件使用薄型表面安装的封装形式，如TSSOP或TQFT器件的用户来说，这样重整后的DIP封装的高度仍存在问题。

光耦合器BGA2的设计特性可解决这些问题，它是高度不超过1.20mm，占位面积小于现有的PDIP外形尺寸的低侧高小型表面安装组件。光耦合器BGA封装（如图2所示）不需要灌封材料(成型化合物)，而且它的制造工具与封装的外形尺寸无关。其设计也可改善封装在热循环等加速测试中的可靠性能。采用无铅焊球可构建完全无铅的封装。

（3）对于无基极引线的通用型及达林顿型光耦合器，本方法不再适用。建议采用测电流传输比CTR的方法加以区分。