光耦原理

光耦合器(opticalcoupler，英文縮寫(xiě)為OC)亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)光器(紅外線發(fā)光二極管LED)與受光器(光敏半導(dǎo)體管)封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。

在一些實(shí)驗(yàn)室或高要求場(chǎng)合，為了實(shí)驗(yàn)人員的安全，一般將實(shí)驗(yàn)的輸入電源采用1：1的工頻變壓器與市電進(jìn)行隔離，這樣一來(lái)，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)人員無(wú)論碰到線路的哪一根線都不會(huì)有觸電的危險(xiǎn)，因?yàn)?strong>隔離電源與大地是沒(méi)有連接的。在工業(yè)控制設(shè)備中，有時(shí)候要求兩個(gè)系統(tǒng)之間的電源地線隔離，如隔離地線噪聲、隔離高共模電壓等，采用帶變壓器的直流變換器，將兩個(gè)電源之間隔開(kāi)，使他們相互獨(dú)立。

在一般的隔離電源中，光耦隔離反饋是一種簡(jiǎn)單、低成本的方式。但對(duì)于光耦反饋的各種連接方式及其區(qū)別，目前尚未見(jiàn)到比較深入的研究。而且在很多場(chǎng)合下，由于對(duì)光耦的工作原理理解不夠深入，光耦接法混亂，往往導(dǎo)致電路不能正常工作。本研究將詳細(xì)分析光耦工作原理，并針對(duì)光耦反饋的幾種典型接法加以對(duì)比研究。

1 常見(jiàn)的幾種連接方式及其工作原理

光電耦合器具有體積小、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強(qiáng)。無(wú)觸點(diǎn)且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點(diǎn)，因而在各種電子設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用。光電耦合器可用于隔離電路、負(fù)載接口及各種家用電器等電路中。

常用于反饋的光耦型號(hào)有TLP521、PC817等。這里以TLP521為例，介紹這類(lèi)光耦的特性。

TLP521的原邊相當(dāng)于一個(gè)發(fā)光二極管，原邊電流If越大，光強(qiáng)越強(qiáng)，副邊三極管的電流Ic越大。副邊三極管電流Ic與原邊二極管電流If的比值稱為光耦的電流放大系數(shù)，該系數(shù)隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。

通常選擇TL431結(jié)合TLP521進(jìn)行反饋。這時(shí)，TL431的工作原理相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)為2.5 V的電壓誤差放大器，所以在其1腳與3腳之間，要接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

常見(jiàn)的光耦反饋第1種接法，如圖1所示。注意左邊的地為輸出電壓地，右邊的地為芯片供電電壓地，兩者之間用光耦隔離。

圖1所示接法的工作原理如下：當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，TL431的1腳(相當(dāng)于電壓誤差放大器的反向輸入端)電壓上升，3腳電壓下降，光耦TLP521的原邊電流If增大，光耦的另一端輸出電流Ic增大，電阻R4上的電壓降增大，com引腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減小;反之，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程類(lèi)似。

常見(jiàn)的第2種接法，如圖2所示。與第1種接法不同的是，該接法中光耦的第4腳直接接到芯片的誤差放大器輸出端，而芯片內(nèi)部的電壓誤差放大器必須接成同相端電位高于反相端電位的形式，利用運(yùn)放的一種特性—— 當(dāng)運(yùn)放輸出電流過(guò)大(超過(guò)運(yùn)放電流輸出能力)時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓值將下降，輸出電流越大，輸出電壓下降越多。

圖2所示接法的工作原理是：當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，原邊電流If增大，輸出電流Ic增大，由于Ic已經(jīng)超過(guò)了電壓誤差放大器的電流輸出能力，com腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減小;反之，當(dāng)輸出電壓下降時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程類(lèi)似。

常見(jiàn)的第3種接法，如圖3所示。與圖1基本相似，不同之處在于圖3中多了一個(gè)電阻R6，該電阻的作用是對(duì)TL431額外注入一個(gè)電流，避免TL431因注入電流過(guò)小而不能正常工作。

常見(jiàn)的第4種接法，如圖4所示。該接法與第2種接法類(lèi)似，區(qū)別在于com端與光耦第4腳之間多接了一個(gè)電阻R4，其作用與第3種接法中的R6一致，其工作原理基本同接法2。