【模电】0005 光耦的使用

 光耦一般用于信号的隔离。当两个电路的电源参考点不相关时，使用光耦可以保证在两边不共地的情况下，完成信号的传输。

1）光耦的基本原理

光耦的原理图如下所示，其内部可以看做一个特殊的“三极管”；一般的三极管是通过基极B和发射极E间的电流，去控制集电极C和发射极E间的电流；而光耦可以看做是用输入端的发光管的光强度在控制输出端的电流；而输入端的发光管是个二极管，也就是用输入端的电流去控制输出端的电流，功能上和三级管是等效的，而由于中间的控制是靠光传输，所以输入端和输出端可以没有固定的电压差，也即相互隔离。

和三极管的特性一样，光耦可以传输模拟信号也可以传输数字信号；也有饱和区、放大区、截止区。

2）光耦的典型应用电路

我们还是先考虑光耦传输数字信号，类似与三极管的开关特性，如下图：

 输入端加入5V的方波脉冲，经过限流电阻后输入光耦的输入端；发光二极管会周期性地导通、截止；输出端使用和三极管类似共射级的接法，从集电极输出；和共射极三极管电路类似，光耦的输出也会反相。

当输入高电平，二极管发光，光耦的3、4脚导通，那么R2上有电流通过，如果光耦达到饱和状态，R2上压降接近输出端的电压，3、4间的电压很低（只有0.x伏），即输出低电平；当输入低电平，二极管截止不发光，3、4不导通，输出端电压被拉高的电源附近，即输出高电平。由此可见该电路实现了反相器的作用。

（由于仿真软件需要固定的电平才能运行和显示，这里仿真图中输入和输出是共地的，实际上大多数实际应用中，输入和输出是两个不相关的电源，正因为要保证隔离，才会使用光耦）

3）光耦的参数选择和电路设计

选择光耦时，需要关注输入参数、输出参数、传输比等等，我们以TL521光耦为例，如果需要设计一个隔离的数字信号传输电路，两边的电平都为5V，按如下步骤设计：

TL521光耦的一些参数如下

 首先，关注输入端，可以看到其输入工作电流为几mA至25mA，输入压降在10mA时为1V~1.3V，那么我们选择输入端的电阻，使得它导通时为10mA左右就能达到比较好的工作状态，那么输入电阻取：

R = （5V-1.2V）/10mA = 380Ω

其次，需要关注一个很重要的参数，电流传输比，即上图中的 Current Transfer Ratio，这个参数对于不同的光耦有很大不同，它表征的是：输出端的电流 比 输入端的电流。当然这个值只是在放大区有效，和三极管类似，表征了输出端可能达到的最大电流时的比值。

由于我们是用作传输数字信号，所以只用关注光耦的截止区和饱和区；截止比较好说，输入端无输入时，输出端必然截止；而什么时候饱和呢？这取决于输出端的电压和电阻。

我们先计算输出端可能达到的电流，当输入端为10mA时，该光耦的传输比最小为50%，也即输出端在外部电路合适的情况下，最小也有输出10mA*50% = 5mA 的能力。所以，为了保证输入端有电压时输出端进入饱和区，则需要的输出端电阻最小为：

R = 5V / 5mA = 1kΩ

当电阻更大时，导通时电阻上的压降更大，就更容易进入饱和区。

仿真的图形如下，输入和输出同相。

注意这个电路形式，输出端电阻接到了发射极，类似三极管的共集电极电路（射极输出电路）。

除了上面说的一些设计方法，在实际应用时，还需要关注输出端的最大电压、传输的速率等等一些参数；此外，光耦的这些参数，与温度相关性较大，要查阅数据手册里的图表来确定各种参数和温度之间的关系。这里就不展开讲了。

4）光耦的保护电路

实际使用时，一般光耦的输入端需要加一些保护电路，以免输入信号异常导致光耦损坏，下图是一个典型的光耦输入保护电路：

 相比与基本的光耦隔离电路，它多了一个反向二极管、一个电容、一个电阻。

反向并联的二极管是用于防止输入信号接反是，损坏光耦内部的发光二极管（一般光耦的输入反向耐压为5V），接入该二极管后，如果有反向电压输入，此二极管会将反向电压限制在1V以内。

并联的电容用于滤波，如果输入信号有高频干扰，并联的电容和串联的限流电阻会形成一个RC低通滤波器的效果，滤除较高频率的干扰；但是接入电容后，会使得传输的信号变慢。

并联的电阻，一方面可以去除一些干扰，使得较低电压的干扰信号输入不会使得光耦导通；另一方面，电阻可以加快电容的放电时间，这样可以减弱接入电容后信号变慢的影响。

5）光耦隔离模拟信号

光耦的特性和三极管很像，它即可以工作在截止区和饱和区隔离数字信号，也可以工作在放大区用于隔离模拟信号，如下图：

图中使用的是HCNR201光耦，这种光耦具有特殊的性质，它有一个输入端，两个输出端；两个输出端的特性高度一致，即输入端有电流流过时，在两个输出端产生的输出电流也 一样。

利用这个特性，将一路输出用于反馈给输入端，一路输出到隔离端，可以实现模拟信号的隔离。

该图的分析过程如下：

首先，判定运放是否在负反馈，当运放输出电压变大时，光耦发光二极管电流变大，输出端电流也变大，R6电流变大，运放负端输入电压升高，这会使得运放输出变小，所以是负反馈；

其次，由于运放的虚短特性，R6上的电压和输入信号源的电压相等；

最后，由于光耦的两个输出端状态一致，输出的电流相等，则R7上产生的压降和R6上的压降也相等，也即R7上的电压等于输入电压，以此实现模拟信号的隔离。

 由仿真图可以看出，R6上的信号变化与信号源输入一致，R7上输出的信号也与它们一致。