光耦的工作原理、種類、優點、作用

光耦的定義：

耦合器(opticalcoupler，英文縮寫為OC)亦稱光電隔離器，簡稱光耦，是開關電源電路中常用的器件。

光耦的工作原理：

耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管(LED)，使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉換，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，電信號傳輸具有單向性等特點，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，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。

光耦的優點：

光耦合器的主要優點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發展起來產新型器件，現已廣泛用于電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離、脈沖放大電路、數字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。在單片開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過調節控制端電流來改變占空比，達到精密穩壓目的。

光耦的種類：

光電耦合器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。

非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關信號的傳輸，不適合于傳輸模擬量。常用的4N系列光耦屬于非線性光耦。

線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號時性能較好，能以線性特性進行隔離控制。常用的線性光耦是PC817A—C系列。

開關電源中常用的光耦是線性光耦。如果使用非線性光耦，有可能使振蕩波形變壞，嚴重時出現寄生振蕩，使數千赫的振蕩頻率被數十到數百赫的低頻振蕩依次為號調制。由此產生的后果是對彩電，彩顯，VCD，DCD等等，將在圖像畫面上產生干擾。同時電源帶負載能力下降。在彩電，顯示器等開關電源維修中如果光耦損壞，一定要用線性光耦代換。常用的4腳線性光耦有PC817A----C。PC111TLP521等常用的六腳線性光耦有：LP632TLP532PC614PC714PS2031等。常用的4N254N264N354N36是不適合用于開關電源中的，因為這4種光耦均屬于非線性光耦。

光耦的作用：

由于光耦種類繁多，結構獨特，優點突出，因而其應用十分廣泛，主要應用以下場合：

(1)在邏輯電路上的應用

光電耦合器可以構成各種邏輯電路，由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比晶體管好，因此，由它構成的邏輯電路更可靠。

(2)作為固體開關應用

在開關電路中，往往要求控制電路和開關之間要有很好的電隔離，對于一般的電子開關來說是很難做到的，但用光電耦合器卻很容易實現。

(3)在觸發電路上的應用

將光電耦合器用于雙穩態輸出電路，由于可以把發光二極管分別串入兩管發射極回路，可有效地解決輸出與負載隔離地問題。

(4)在脈沖放大電路中的應用

光電耦合器應用于數字電路，可以將脈沖信號進行放大。

(5)在線性電路上的應用

線性光電耦合器應用于線性電路中，具有較高地線性度以及優良地電隔離性能。

(6)特殊場合的應用

光電耦合器還可應用于高壓控制，取代變壓器，代替觸點繼電器以及用于A/D電路等多種場合。

線性光耦合器的選取原則：

在設計光耦反饋式開關電源時必須正確選擇線性光耦合器的型號及參數，選取原則如下：

①光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%～200%。這是因為當CTR<50%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流(IF>5.0mA)，才能正常控制單片開關電源IC的占空比，這會增大光耦的功耗。若CTR>200%，在啟動電路或者當負載發生突變時，有可能將單片開關電源誤觸發，影響正常輸出。

②推薦采用線性光耦合器，其特點是CTR值能夠在一定范圍內做線性調整。

③由英國埃索柯姆(Isocom)公司、美國摩托羅拉公司生產的4N××系列(如4N25、4N26、4N35)光耦合器，目前在國內應用地十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現開關特性，其線性度差，適宜傳輸數字信號(高、低電平)，因此不推薦用在開關電源中。

3線性光耦合器應用舉例

多路輸出式電源變換器電路如圖3所示。其輸入電壓為36V到90V的準方波電壓，三路輸出分為：UO1=+5V(2A)，UO2=+15V(0.17A)，UO3=-15V(0.17A)。現將UO1定為主輸出，其電壓調整率SV=±0.4%;UO2和UO3為輔輸出，總電源效率可達75%～80%。電路中采用一片TOP104Y型三端單片開關電源集成電路。主輸出繞組電壓經過VD2、C2、L1和C3整流濾波后，得到+5V電壓。VD2采用MBR735型35V/7.5A肖特基二極管。兩個輔輸出繞組及輸出電路完全呈對稱結構。因為±15V輸出電流較小，故整流管VD4和VD5均采用UF4002型100V/1A的超快恢復二極管。由線性光耦CNY17-2和可調式精密并聯穩壓器TL431C構成光耦反饋式精密開關電源，可以對+5V電壓進行精密調整。反饋繞組電壓通過VD3、C4整流濾波后，得到12V反饋電壓。由P6KE120型瞬態電壓抑制器和UF4002型超快恢復二極管構成的漏極鉗位保護電路，能吸收由高頻變壓器漏感形成的尖峰電壓，保護芯片內部的功率場效應管MOSFET不受損壞。

外部誤差放大器由TL431C組成。當+5V輸出電壓升高時，經R3、R4分壓后得到的取樣電壓，就與TL431C中的2.5V帶隙基準電壓進行比較，使其陰極電位降低，LED的工作電流IF增大，再通過線性光耦IC2(CNY17-2)使控制端電流IC增大，TOP104Y的輸出占空比減小，使UO1維持不變，達到穩壓目的。+5V穩壓值UO1則由TL431C、光耦中的LED正向壓降來設定。R1是LED的限流電阻。誤差放大器的頻率響應由C5、R2和C6來決定。C5的作用有三個：濾除控制端上的尖峰電壓;決定自動重啟動頻率;與R2一起對控制回路進行補償。