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Author: Jackie Long 光电耦合器（Optical coupler, OC）也叫光电隔离器，简称光耦，是一种以光为信息传输媒介的光电转换元件，它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强、输入端和输出端之间电气隔离、信号单向传输（输出信号对输入无影响）等优点，在电路上获得广泛的应用，其基本结构如下图的所示： 发光二极管发出光线，光敏三极管接受光线之后就产生光电流从输出端流出，结合外部电路即可输出相应的信号，从而实现了'电-光-电'转换。有些光敏三极管的基极还有引出线，可满足温度补偿、检测调制场合的特殊要求。 （输出导通状态下）当解除施加到光电耦合器输入端的电池时，输入端的发光二极管将停止发光，由于光敏三极管不再有光线的照射而处于截止状态，输出电压即为外加电源的电压VCC，即高电平。 在这个由低电平转换为高电平过程中，所需要的时间称为上升沿响应时间Tr（Rise time），有些规格书则给出低电平到高电平传播延迟时间TPLH（Propagation delay time to logic high） （输出截止状态下）当电池通过限流电阻施加到光电耦合器的输入端时，输入端的发光二极管将发光，发出的光线照射到对面的光敏三极管，光敏三极管根据光的强度将其转换成光电流使输出回路导通，继而将输出VO下拉为低电平。 在这个由高电平转换为低电平过程中，所需要的时间称为下降沿响应时间Tf（Fall time），也有些规格书由给出高电平到低电平传播延迟时间TPHL（Propagation delay time to logic low） 这几个时间的具体含义如下图所示： 由于前后两级采用光电耦合的方式，因此输入输出间的绝缘电阻RISO（Isolation resistance）非常大，通常最小1000M欧姆，与之相应的参数为隔离电压VISO（Isolation voltage） 可以看到，输出电平与输入电平是相反的，即输出为高电平，则输入为低电平，而输出为低电平时，输入则为高电平。当然，我们也可以按下图所示调整我们的电路，使输出电平与输入电平变化相同： 光电耦合器在正常工作时的输入端部分如下图所示： 外加电压V经限流电阻R施加到发光二极管，二极管正向导通后，即在输入回路产生正向电流IF（Forward current），同时在二极管两端产生正向压降VF（LED dropout voltage），调整限流电阻R即可调节正向电流，其关系为： 正向电流最大值约为几十毫安，实际应用时不应超过数据手册中的最大值，否则发光二极管的寿命将缩短，甚至损坏。 相反地，当输入端的发光二极管施加反向电压VR（LED reverse voltage），二极管处于截止状态，理想状态下回路中的电流为零，但实际二极管反向截止后的电阻是有限的，因此输入回路中还是会有一定的反向泄露电流IR（reverse current）。 实际应用时，反向电压不应超过数据手册规定的最大值，否则将导致二极管反向被击穿，一般光电耦合器中这个参数的最大值约5V左右，在使用交流脉冲驱动时，应适当进行保护。 当输入发光二极管的光线足以使光敏三极管导通时，输出回路即产生回路电流，通常称之为集电极电流Ic（Collector current），输出VO将被拉为低电平。光敏三极管饱和导通时的集电极-发射极压降不为零，这个电压称为集电极-发射极饱和电压VCE(sat)（Collector-emitter saturation voltage） 当光敏三极管截止时，电池的电压将全部加在光敏三极管的集电极-发射极两端，这时允许的最大电压称为集电极-发射极电压VCEO（Collector-emitter voltage），具体应用时不应超过最大值，否则三极管可能会被击穿。 相似的，还一个电压称为发射极集电极电压VECO（emitter- Collector voltage） 实际三极管在截止时呈现的电阻不会是无穷大的，因此也会在输出回路产生一定的集电极暗电流ICEO（Collector dark current） 如果我们在输入端施加有一定频率的信号，则相应在输出端有对应的信号，输出高电平的幅度由外加电源VCC决定，这样就可以实现电平转换，而低电平则由光敏三极管的VCEO来决定
当在输入端施加的交流正弦信号时，输入输出波形将如下图所示：
但是很多情况下，我们需要在交流应用中使用的光耦（如可控硅导通角的大小控制），即正电压与负电压输入时都会有相应的输出，这时我们会将两个光电耦合器按下图所示进行连接:
当交流正半周输入时，光电耦合器1的输出导通，当交流负半周输入时，光电耦合器2的输出导通，两个部输出分结合在一起即为完整的输出，这就是过零检测的基本原理，其输入输出波形如下图所示：
事实上，我们也有交流输入型的光耦可供选择，其输入结构如下图所示：
同样，根据不同的应用场合，输出结构也有很多不同的类型，如达林顿管输出、场效应管输出型、晶闸管输出、逻辑输出等等 还有另外一个重要参数是电流传输比CTR(current transfer ratio)，是指在直流工作条件下，光耦的输出电流与输入电流之间的比值，如下式所示：
其中，IC即输出端集电极负载电流，IF为输入端二极管正向电流，如下图的所示：
CTR有点类似于三极管的电流放大倍数，也可称之为光耦的电流放大倍数。当外加输入电压由小到大调节时，输入电流亦相应地增大，而输出电流则分为三个区间： ◆ 外加电压V较小时，由于不足以使发光二极管充分导通，此时的输入电流比较小，光耦输出端还没有导通，CTR也比较小，相当于三极管的截止状态； ◆ 外加电压V增大到输出端开始导通后有一段区域，输出端电流随输入端电流呈比例变化，此时的CTR与输入电流无关的（即输出端电流与输入端呈比例变化），相当于三极管的放大状态； ◆ 外加电压V增大后输出端电流不再随之增大后，此时的CTR也比较小，相当于三极管的饱和状态。 在放大状态（线性区）的这一段区间，就是数据手册上给出的CTR，比如100%，表示这段区间输入端电流与输出端电流的比值为1。 线性度不好的光电耦合器适宜传输数字信号，用于隔离输入与输出，而线性光耦的CTR具有良好的线性度，适合传输模拟信号。在开关电源中，通常利用线性光耦合器构成光耦反馈电路，合理设置线性光耦的输入电流（处于线性区）即可调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。 |
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