光電耦合元件

　　光電耦合元件是以光（含可見光、紅外線等）作為媒介來傳輸電信號(hào)的一組裝置，其功能是平時(shí)讓輸入電路及輸出電路之間隔離，在需要時(shí)可以使電信號(hào)通過隔離層的傳送方式。光電耦合元件（英語：opticalcoupler，或英語：photocoupler），亦稱光耦合器、光隔離器以及光電隔離器，簡稱光耦。

　　光電耦合元件可以在二個(gè)不共地的電路之間傳遞信號(hào)，二電路之間即使有高壓也不會(huì)影響。商用的光電耦合元件其輸入對(duì)輸出的耐壓可以到10kV，而電壓變化率可以快到10kV/μs。

　　光電耦合元件可分為模擬與數(shù)字兩種，都是由光發(fā)射器和光偵測(cè)器組成。光發(fā)射器和光偵測(cè)器通常會(huì)整合到同一個(gè)封裝，但它們之間除了光束之外不會(huì)有任何電氣或?qū)嶓w連接。

　　常見的光電耦合元件是將發(fā)光二極管（LED）及光晶體管（LED）放在一個(gè)不透明的封裝中。其他的組合有LED-光電二極管、LED-LASCR及燈泡-光敏電阻。光電耦合元件一般會(huì)傳遞數(shù)字信號(hào)，但配合一些技術(shù)，也可以用光電耦合元件傳送模擬信號(hào)。

　　光電耦合元件廣泛用于電氣隔離、電平轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)電路及工業(yè)通訊中，但因?yàn)榧纳斎胼敵鲭娙輪栴}，其共模瞬變抑制（Common-ModeTransientImmunity）能力較弱，此外，其速度受限、光電耦合元件的功耗較高，以及元件容易老化都是其問題。

歷史

　　用光學(xué)方式耦合固態(tài)光發(fā)射器及半導(dǎo)體感測(cè)器的想法是在1963由Akmenkalns等人提出（USpatent3,417,249）。光敏電阻為基礎(chǔ)的光電耦合元件在1968年問世，其速度慢，但是是最線性隔離元件，在音樂及音響產(chǎn)業(yè)中仍有其利基市場(chǎng)。LED技術(shù)在1968–1970年的商品化，使得光電工程大幅成長，在1970年代末各種主要的光電耦合元件均已開發(fā)出來。光電耦合元件的主力是雙極性的硅光晶體感測(cè)器，可以達(dá)到足夠的的傳輸速度，足以用在像腦電圖之類的應(yīng)用上，目前最快的光電耦合元件是利用光導(dǎo)模式的PIN型二極管。

原理

　　光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。

　　輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)光發(fā)射源，使之發(fā)光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)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，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，具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸資訊中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在電腦數(shù)位通信及即時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的界面器件，可以大大增加其工作之可靠性。

　　光耦合器的光發(fā)射源一般會(huì)是紅外線的發(fā)光二極管，將電能轉(zhuǎn)換為特定波長的光，在發(fā)射源及接收器之間會(huì)有封閉式的光通道（也稱為電介質(zhì)通道），接收器是光感測(cè)器，感測(cè)特定波長的光，可能直接轉(zhuǎn)換成電能量，也可能由此信號(hào)調(diào)變外部電源提供的電流。接收器可以是光敏電阻、光電二極管、光晶體管、可控硅整流器（SCR）或TRIAC。發(fā)光二極管除了發(fā)射光之外，也可以作為光感測(cè)元件，因此可以用發(fā)光二極管作光感測(cè)元件，即為對(duì)稱性雙向光耦合器。光耦合的固態(tài)繼電器其中由有光電二極管的光耦合器來驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)，一般是一對(duì)互補(bǔ)的MOSFET。開槽光學(xué)開關(guān)包括光發(fā)射源及接收器，但其光通道有開口，若其他物體擋住開口，使光無法通過，則接收器產(chǎn)生的信號(hào)也會(huì)隨之變化。

電氣隔離

　　標(biāo)準(zhǔn)雙列直插封裝中光電耦合元件，平面（上方）及硅圓頂（下方）配置的截面圖。LED（紅色）和感測(cè)器（綠色）的大小都比實(shí)際大小要大

　　電子零件、電氣信號(hào)及電源線都會(huì)受到閃電、靜電放電、電磁干擾、切換脈波及電源擾動(dòng)所產(chǎn)生的電壓所影響。遠(yuǎn)方閃電可以感應(yīng)大到10kV的電壓，是許多電子元件耐壓的一千倍。電路也可以透過設(shè)計(jì)方式連接高電壓，此時(shí)就需要安全而可靠的裝置連接高電壓及低電壓的元件。。

　　光電耦合元件的主要功能之一是要阻隔高電壓以及電壓暫態(tài)，不讓這些電路中的電壓暫態(tài)影響電路的其他部分。以往這類的機(jī)能會(huì)由隔離變壓器實(shí)現(xiàn)，利用電感耦合讓電流隔離的輸入及輸出端可以傳遞訊號(hào)。變壓器及光電耦合元件是僅有二種提供加強(qiáng)保護(hù)的功能，同時(shí)保護(hù)設(shè)備以及使用這些設(shè)備的人員。這些設(shè)備在物理上只有單一的隔離層，但提供的保護(hù)相當(dāng)于IEC電器等級(jí)中，具有雙重隔離的Ⅱ類電器。光電耦合元件的安全性、測(cè)試及承認(rèn)受到各國以及國際性標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范：IEC60747-5-2，歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)60747-5-2、UL1577及CSAComponentAcceptanceNotice#5等。制造商發(fā)行的光電耦合元件規(guī)格至少需符合其中一項(xiàng)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

　　光電耦合元件透過由輸入信號(hào)調(diào)變的光束連接輸入端及輸出端，會(huì)將有用的輸入信息轉(zhuǎn)換為光，讓光通過介電質(zhì)，送到接收端再轉(zhuǎn)換為電氣訊號(hào)。變壓器的本質(zhì)可以雙向傳遞能量，而且轉(zhuǎn)換效率很高，而光電耦合元件和變壓器不同，光電耦合元件多半只允許單向的信號(hào)轉(zhuǎn)換（不過也有例外，參考雙向光耦合器），而且不能轉(zhuǎn)換功率。一般光電耦合元件不轉(zhuǎn)換能量，只能提供信號(hào)，用信號(hào)將輸出側(cè)能量調(diào)變后再輸出。光電耦合元件可以轉(zhuǎn)換直流或是緩慢變化的信號(hào)，在輸入及輸出側(cè)不需要阻抗匹配。變壓器及光電耦合元件都可以破壞不希望出現(xiàn)的接地回路，接地回路是在工業(yè)上及電氣設(shè)備中常見的情形，會(huì)因?yàn)榻拥鼐€造成大電流或是噪聲電流。

　　光電耦合元件的實(shí)體配置和其隔離電壓的規(guī)格有關(guān)。若耐壓在數(shù)kV以下，一般會(huì)用平面（或是三明治）的架構(gòu)。感測(cè)器晶粒會(huì)直接安裝在其封裝（多半是6引腳或是4引腳的雙列直插封裝）的導(dǎo)線架上。感測(cè)器晶粒上方會(huì)包覆一層玻璃或是透明塑膠。LED會(huì)在上方往下發(fā)光，減少光的損失，感測(cè)器的吸收頻譜需要符合LED的輸出頻譜，多半都在近紅外線的范圍。光通道會(huì)在可承容擊穿電壓而不會(huì)破壞的條件下，作的越薄越好。例如，若短時(shí)間的電壓要耐到3.75kV，且要承受電壓變化率1kV/μs的電壓，AvagoASSR-300的透明聚酰亞胺層只有0.08mm厚。平面組件的擊穿電壓會(huì)和光通道層的厚度、以及連接晶粒和引腳的接合線的組態(tài)有關(guān)。真正在電路中的絕緣電壓會(huì)因?yàn)橛∷㈦娐钒寮鞍b表面的爬電距離有關(guān)。安全的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則會(huì)要求和裸金屬導(dǎo)體至少要有25mm/kV的距離，和涂層導(dǎo)體的最小距離則是8.3mm/kV。

　　若是耐壓在2.5to6kV之間的光電耦合元件，會(huì)采用另一種稱為硅圓頂（siliconedome）的架構(gòu)。在此架構(gòu)中，LED和感測(cè)器會(huì)放在包裝的兩側(cè)，LED會(huì)向側(cè)面的感測(cè)器發(fā)光。LED、感測(cè)器及兩者之間的空隙會(huì)用透明的硅氧樹脂圓頂包覆住。圓頂?shù)淖饔妙愃品瓷溏R，會(huì)反射所有的雜散光，反射到感測(cè)器上，減少較長光通道造成的損耗。若是雙模設(shè)計(jì)，其硅圓頂（內(nèi)模）及外殼（外模）之間會(huì)充填暗色的介電材質(zhì)，而且有適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)。

種類

　　元件形式 光源 感測(cè)器種類  速度 電流轉(zhuǎn)換比（CTR）

　　電阻輸出式光隔離器

　?。╒actrol） 電燈泡 CdS或CdSe光敏電阻（LDR） 非常慢 <100%

　　氖燈 低

　　GaAs紅外線LED 低

　　二極管輸出型光耦合器 GaAs紅外線LED 硅光電二極管 最高 0.1–0.2%

　　晶體管輸出型光耦合器    GaAs紅外線LED 單一雙極晶體管型硅光晶體管 中等 2–120%

　　達(dá)靈頓晶體管型光晶體管 中等 100–600%

　　光耦合式SCR GaAs紅外線LED 硅控整流子 從低到中 >100%

　　光耦合式TRIAC GaAs紅外線LED TRIAC 從低到中 非常高

　　固態(tài)繼電器 GaAs紅外線LED疊層 光二極管疊層驅(qū)動(dòng)

　　一對(duì)MOSFET或IGBT 從低到高 實(shí)務(wù)上沒有限制

• 　　晶體管耦合器：具有較高的換能效率，高耐壓性，低輸入驅(qū)動(dòng)能力

• 　　高速集成電路輸出耦合器：它有提供高速集成光能力的接收元件，速度為1－10兆赫茲。

• 　　三端雙向可控硅耦合器：這種類型的耦合器主要用來控制AC載荷，例如發(fā)動(dòng)機(jī)和螺線管。

• 　　線性耦合器：結(jié)構(gòu)由紅外線LED，與紅外線接收二極管組成，其輸出為純電流訊號(hào)。輸入電流與輸出電流有線性關(guān)系比，在光電二極管未飽和前，為線性輸出特性。

• 　　光電繼電器SSR：又名固態(tài)繼電器或光電MOSFET，因?yàn)樵谝粋€(gè)輸出處里裝配二顆MOSFET，在產(chǎn)品導(dǎo)通后，會(huì)與一般MOSFET相同，呈現(xiàn)電阻特性。

電阻輸出式光耦合器

　　最早期的光耦合器出現(xiàn)在1960年代，是由微型電燈泡為光源，使用硫化鎘（CdS）或硒化鎘（CdSe）光電阻（也稱為光敏電阻，LDR）為接收器，即為電阻輸出式光耦合器。若在控制線性度不太重要的場(chǎng)合，或是可用電流太小，無法點(diǎn)亮電燈泡的情形（例如真空管放大器），會(huì)用氖燈代替電燈泡。這類設(shè)備（或者只是LDR）一般稱為Vactrols，是Vactec公司的商標(biāo)。不過此商標(biāo)已經(jīng)屬于通用商標(biāo)，但原始的Vactrols仍然由珀金埃爾默制造。

　　電燈泡的點(diǎn)亮及熄滅時(shí)間約需數(shù)百毫秒，因此電燈泡變成等效的低通濾波器及整流器但也限制了頻率超過幾赫茲以上的應(yīng)用。發(fā)光二極管（LED）在1968年–1970年引入，，制造商將電燈泡及氖燈改成LED，反應(yīng)時(shí)間降到5ms，而且調(diào)變頻率可以高到250Hz.。Vactrol此一商品也包括LED基礎(chǔ)的零件，在2010年仍有小量的生產(chǎn)。

　　光電耦合元件中的光電阻是靠一層半導(dǎo)體均勻薄膜上的體效應(yīng)，沒有p-n結(jié)。光感測(cè)器及光電阻器都是非極性元件，適用于交流及直流電路。其電阻降和入射光的強(qiáng)度成反比，從本質(zhì)上接近無限大，到小于100歐姆的殘余電阻。這些性質(zhì)讓最早的Vactrol變成一個(gè)可用在電信網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)范圍壓縮及自動(dòng)增益控制元件，既便宜及方便。光電阻的耐壓可以到400volts,，因此是驅(qū)動(dòng)真空熒光顯示器的理想元件。其他工業(yè)化應(yīng)用包括復(fù)印機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、專業(yè)測(cè)光設(shè)備以及曝光量測(cè)的曝光量測(cè)計(jì)。這些應(yīng)用大部分都已經(jīng)過時(shí)，不過電阻輸出式光耦合器在音響上仍有其優(yōu)勢(shì)，特別是在吉他音箱市場(chǎng)中。

　　1960年代美國的吉他及風(fēng)琴制造商用電阻輸出式光耦合器作為便宜及方便的震音調(diào)制器。芬達(dá)樂器公司早期的震音效果是用兩個(gè)真空管，在1964年后一個(gè)真空管就被由光敏電阻及氖燈組成的光耦合器取代了。至今透過踏下效果器踏板而啟動(dòng)的Vactrols在音樂產(chǎn)業(yè)中無所不在。缺乏真正的PerkinElmerVactrols迫使DIY吉他社群開始自制電阻輸出式光耦合器。到目前為主，吉他手喜歡光耦合器的效果，因?yàn)殡娐芳軜?gòu)分離了音源地及控制地的信號(hào)，因此“有本質(zhì)上高品質(zhì)的聲音”，不過光耦合器在及線性電平位準(zhǔn)的失真仍比專業(yè)的電耦合式壓控放大器要大。而且這類光耦合器的性能會(huì)進(jìn)一步的被因?yàn)楣庥洃洠╨ighthistory，鎘化合物本質(zhì)上會(huì)有的記憶效應(yīng)）造成的電阻緩慢波動(dòng)而影響。這類波動(dòng)需數(shù)個(gè)小時(shí)才會(huì)穩(wěn)定下來，而且只能被控制電路中的反饋抵消部分的影響。

光二極管輸出型光耦合器

　　光二極管輸出型光耦合器利用LED為光源，硅的光電二極管為感測(cè)器。若光二極管被外部電壓源逆向偏壓，入射光會(huì)減少二極管上的負(fù)向電流。二極管本身不會(huì)產(chǎn)生能量，而是調(diào)變由外部來源提供的能量。這種運(yùn)作方式稱為“光導(dǎo)模式”（photoconductivemode）。相對(duì)的，若沒有外部的偏壓，二極管會(huì)轉(zhuǎn)換光能為電勢(shì)能，將電壓差最多有0.7V的端子充電。充電的速度和入射光的強(qiáng)度成正比?？梢酝高^外部的高阻阻路徑排出電荷來獲得能量，電流轉(zhuǎn)換比例可以高到0.2%，此模式稱為“光伏模式”（photovoltaicmode）。

　　最快的光耦合器是使用在光導(dǎo)模式下的PIN二極管，其反應(yīng)時(shí)間是在納秒以下，整體的系統(tǒng)速度會(huì)受限于LED輸出及偏壓電路，為了要減少其延遲，高速的數(shù)位光耦合器會(huì)將LED驅(qū)動(dòng)電路以及輸出放大器整合到其光耦合器，以讓速度最佳化。這類設(shè)備稱為全邏輯光耦合器，其LED、感測(cè)器及相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路及數(shù)位邏輯電路都封裝在一個(gè)包裝內(nèi)。惠普在1970年代末推出的6N137/HPCL2601系列都有內(nèi)部的輸出放大器，其通訊速度可以到10MBd。這也成為當(dāng)時(shí)的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一直到后來從惠普分家的安捷倫科技，在2002年導(dǎo)入50MBd的元件7723/0723系列，才超越此一標(biāo)準(zhǔn)，其中包括CMOS的LED驅(qū)動(dòng)器以及CMOS緩沖放大器，需要二組獨(dú)立的5V電源。

　　光二極管輸出型光耦合器可以用做類比信號(hào)的界面電路，不過二極管的電流電壓非線性特性會(huì)造成振幅變形。Burr-Brown公司導(dǎo)入了一種特殊的類比光耦合器，用二個(gè)相同的光二極管及輸入端的運(yùn)算放大器來補(bǔ)償二極管的非線性。其中一顆光二極管放在放大器的回授路徑上，因此可以維持固定的電流轉(zhuǎn)換比，不會(huì)受到光二極管的非線性影響。

　　在2011年6月3日有廠商提出了新的類比光耦合器概念，概念的組態(tài)包括二部分，一部分的電路負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換信號(hào)，另一組則負(fù)責(zé)產(chǎn)生負(fù)回授，以確保輸出信號(hào)和輸入的相同。提出的類比隔離器在大范圍的工作電壓及頻率下都是線性的。不過線性的電阻輸出式光耦合器以前就已使用此一概念，例如IL300。

　　利用MOSFET制成的固態(tài)繼電器開關(guān)一般會(huì)配合一個(gè)二極管輸出型光耦合器來驅(qū)動(dòng)開關(guān)。MOSFET的閘極需要相對(duì)較小的電荷來使其開啟，且其穩(wěn)態(tài)的漏電流較小。光伏模式的二極管輸出型光耦合器可以在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生導(dǎo)通的電荷來使其開啟，但其輸出電壓比MOSFET閾值電壓要小很多。為了使輸出電壓大于閾值電壓，固態(tài)繼電器會(huì)將最多13個(gè)光二極管串聯(lián)，以產(chǎn)生需要的電壓

光晶體管輸出型光耦合器

　　光晶體管在本質(zhì)上就比光二極管要慢。最早期且速度最慢的是4N35光耦合器，在100Ohm負(fù)載下，上升及下降時(shí)間需5微秒，但仍相當(dāng)常用，其帶寬無法超過10kHz，10kHz就可以應(yīng)用在像腦電圖[8]或是脈沖寬度調(diào)變馬達(dá)控.的應(yīng)用。像1983年原始的MIDI規(guī)格就建議用像PC-900或6N138光耦合器，讓數(shù)位資料的傳輸速度可以到數(shù)十kps。為了達(dá)到最快的速度，光晶體管需要適合的偏置及提供適當(dāng)?shù)呢?fù)載，例如4N28在最佳偏置下可以運(yùn)作到50kHz，但一般情形只有4kHz。

　　設(shè)計(jì)光晶體管輸出型光耦合器的電路需要針對(duì)常見電子元件參數(shù)的大幅波動(dòng)預(yù)留足夠的裕。有些參數(shù)的波動(dòng)是破壞性的，例如若直流-直流轉(zhuǎn)換器回授電路中的光耦合器其傳遞函數(shù)變化，而且產(chǎn)生寄生振蕩，或是光耦合器有未預(yù)期的延遲，會(huì)造成H橋中某一腳的短路[，供應(yīng)商的資料表只列出關(guān)鍵參數(shù)的最壞情形數(shù)值。實(shí)際的元件常會(huì)以一些不可預(yù)測(cè)的方式，讓情形比資料表中的最壞情形更差鮑伯·皮斯發(fā)現(xiàn)某一些4N28的電流轉(zhuǎn)換器可以從15%變化到超過100%，資料表只列出其最小值10%。晶體管雙極性晶體管的beta可能從300變化到3000，因此帶寬變化為10:1。

　　利用場(chǎng)效應(yīng)管（FET）為感測(cè)器的光耦合器較少見，像vactrol一様，若FET的跨壓沒有超過數(shù)百mV時(shí)，可以用來作遠(yuǎn)端控制的類比電位器。光學(xué)的FET在導(dǎo)通時(shí)不需注入電荷到輸出電路中，特別適用在取樣保持電路中

雙向光耦合器

　　目前提到所有的光耦合器都是單向的，光學(xué)通道是單向的，信號(hào)從光源（LED）傳到感測(cè)器。感測(cè)器可能是光電阻器、光二極管或是光晶體管，但都不能發(fā)射光線。但LED和其他的光電二極管一様可以偵測(cè)入射的光，因此在概念上可以用一組LED作雙向的光耦合器。最簡單的雙向光耦合器只是一組彼此相對(duì)的LED，再用熱縮套管包覆在一起，若是需要，LED之間的間隙可以用光導(dǎo)纖維來延伸。

　　可見光LED的轉(zhuǎn)換效率較差，一般雙向設(shè)備一般會(huì)用近紅外線的GaAs、GaAs:Si及砷化鋁鎵LED。用GaAs:Si的LED所制的雙向光耦合器，不論運(yùn)作在光電二極管的光伏（photovoltaic）模式或是光導(dǎo)（photoconductive）模式下，電流轉(zhuǎn)換效率都只有0.06%，比用光二極管的單向光耦合器要差，但已經(jīng)符合實(shí)際的應(yīng)用需求。

應(yīng)用

　　光電耦合元件廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、數(shù)位儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸（工業(yè)通訊）、脈沖放大、固態(tài)繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)電界面中。

　　在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦回饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。

組態(tài)種類

　　一般來說，光電耦合元件是封閉配對(duì)的配置，也就是在在一個(gè)不透明的封裝內(nèi)有光發(fā)射器及光感測(cè)器面對(duì)面擺放。

　　有些光電耦合元件是“槽型耦合元件-中斷器”的組態(tài)，光電耦合元件在發(fā)射器及感測(cè)器之間有開槽，而且可以影響其信號(hào)。這類的光電耦合元件適用在物體偵測(cè)，振動(dòng)偵測(cè)，以及無彈跳的切換。

　　有些光電耦合元件是“反射對(duì)”的組態(tài)，其中有一個(gè)光源會(huì)發(fā)射光，另一個(gè)接收源，但是是接收由其他物體反射的光。反射式的光電耦合元件適用在轉(zhuǎn)速表、運(yùn)動(dòng)偵測(cè)器以及反射監(jiān)視器。

　　后面兩種也稱為“光感測(cè)器”（optosensors）。

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