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      什么是光耦合器及其工作原理?
      來源: handler   發布時間: 2022-01-07   728 次瀏覽   大小:  16px  14px  12px

      如果你曾經拆開任何一個手機充電器或開關電源,你會發現一些很小的黑色IC封裝,引腳數量不尋常,大多為4或6個,都有SMD和通孔兩種。更不尋常的是,這些部件通常被發現在隔離槽和縫隙上,這使得它們的用途更加神秘。這些元件被稱為光耦合器或光隔離器或簡單的光器件,它們執行在電路的隔離部分之間傳遞信號的關鍵功能。他們用光在電路之間傳遞信號。

      什么是光耦及其工作原理

      正如我們已經了解到的晶體管,一個理想的晶體管將不允許任何電流通過,如果基腳不觸發。但是,如果你小心地去蓋一個普通的分立晶體管,并在集電極和發射極引線上施加電壓,你會注意到仍然有微小的電流流過!這是因為光照在暴露的晶體管芯片底部。這意味著光子實際上能夠撞擊摻雜半導體材料中的空穴和電子。這就引出了一些非常有趣的可能性,第一種是光晶體管,基本上是一種沒有基極引線的雙端晶體管。它們看起來很像二極管,而且包裝清晰。在這里,光作為基極電流。光電二極管的工作方式非常相似;它們根據照射到它們身上的光量來改變它們的“電阻”。

      光電二極管和晶體管被用在像近距離傳感器這樣的東西上,根據照射在這些設備上的光的量來檢測這些設備上電壓或電流的微小變化。如果我們能把一個LED和一個光電晶體管放在一個封閉的管里,來自LED的光(當然,假設它是正確驅動的)將照亮光電晶體管的“基座”并使其導電。這給我們留下了一個可以控制開關元件而不需要任何物理接觸的裝置!這樣的裝置已經存在了,正如你所料,它就是光耦!

      光耦輸入和輸出

      光耦合器有許多不同的形狀、尺寸和速度(稍后將討論),但大多數具有相同的基本特性-二極管輸入和開關元件輸出。這種二極管和其他LED很相似,只是你看不見光線(首先是因為它裝在一個密封的塑料包裝中,其次是因為它主要是紅外的)。它要求驅動的電流和電壓與普通LED要求的相同,即幾伏和幾十毫安。

      下面的動畫將幫助您理解工作。這里使用的光耦是MCT2E光電晶體管IC。如你所見,LED的邏輯輸入控制晶體管的輸出。在這個集成電路中,輸出端由晶體管組成,但在任何情況下都必須如此。光電晶體管的輸出端有點有趣,因為它通常由NPN型晶體管組成,如上圖所示,但有時它也可以是SCR或TRIAC,有時甚至是完全邏輯兼容的輸出!

      由于基極基本上是由光驅動的,所以“基極電流”非常非常非常低——你不能期望這些類型的晶體管完全飽和,而且由于基極電流很小,上升和下降的時間通常慢得可憐,就像我從艱難的道路上學到的那樣。當然,邏輯輸出(和匹配的速度)光是可用的,但需要一個單獨的電源輸出側。光輸出的好處是,由于它與輸入端完全電流隔離,所以它可以在任何電壓下浮動——或者換句話說,它就像一個浮動的“開關”,雖然不是一個很好的開關。

      例如,你可以把晶體管的輸出放在低邊,并在集電極上加上一個拉高,這樣當二極管被點亮時,晶體管就會把集電極拉低。你也可以把晶體管放在高邊,在發射極和輸出地之間加一個電阻,這樣當輸入變高時,發射極的輸出也會很高。但請注意,由于基極驅動的限制,大多數普通的光電管都有很高的飽和電壓,有時在1伏左右!由于其速度慢,常規的光被用作電源反饋回路的一部分,并附加了完全隔離的好處。

      正如你可能已經猜到的,光電管不能做變壓器能提供的電力。雖然變壓器可以為隔離的電路供電,但用目前的技術,我們不能通過光有效地傳輸電力。

      但是光電管做的是變壓器不能做的事情——在電路之間傳遞信號非常高效和迅速,而不需要單獨的驅動器。我們可以直接將光電管的輸入連接到微控制器的引腳上,但是對于signa,我們不能這樣做光電晶體管的輸出端有些有趣,因為它通常由NPN型晶體管組成,如上所示,但是有時它也可以是SCR或TRIAC,有時甚至是完全邏輯兼容的輸出!

      要記住的一件大事是,由于基極基本上是由光驅動的,因此“基極電流”非常非常低–您無法期望這些類型的晶體管完全飽和,并且由于基極電流很小,因此正如我學到的那樣,上升和下降時間通常很慢。當然,可以使用邏輯輸出(和匹配速度)的光電二極管,但是需要在輸出側使用單獨的電源。

      光電輸出的好處是,由于它與輸入側完全電隔離,因此可以在任何電壓下浮動-換句話說,它的作用就像浮動的“開關”,盡管不是很好。

      例如,您可以將晶體管輸出置于低端,并在集電極上添加一個上拉,因此當二極管點亮時,晶體管導通并將集電極拉至低電平。您也可以將晶體管置于高側,并在發射極和輸出地之間連接一個電阻,因此當輸入變高時,發射極的輸出也將變高。但要注意,由于基本驅動器的限制,最常見的光電二極管具有很高的飽和電壓,有時約為1伏!由于速度較慢,常規光耦被用作電源反饋環路的一部分,并具有完全隔離的優點。光電無法做變壓器可以做的事情–供電。盡管變壓器可以為隔離的電路供電,但是采用當前技術,我們無法通過光有效地傳輸功率。

      但是,光耦可以

      做變壓器無法做到的事情-無需單獨的驅動器,即可非??焖?,高效地在電路之間傳遞信號。我們可以將光電輸入直接連接到微控制器引腳。

      實用的光耦合器建議

      對于所有“慢速”目的,即幾千赫茲的信號,我建議使用PC817,它是DIP4或SMD封裝中非常常見的單光子。為輸入提供至少5mA的電流。為了獲得更高的速度,我建議使用TLP117,它具有反向邏輯輸出,但在輸出側需要5V電源。我從這個脈沖中得到了10微秒的脈沖,應該可以告訴您有關其速度的一些信息!

       

       

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