第1个回答 2022-06-06
光电耦合器用得太多，是时候总结一下了。仅以个人应用为出发点。
一、光耦分类
分两类：非线性光耦和线性光耦。
非线性光耦：适合于开关信号的传输（高低电平），不适合于传输模拟量。实际中常用。
线性光耦：以线性特性进行隔离控制。
二、光耦参数
查阅datasheet时的重点关注对象。
1.输入特性参数＜＝＞前端发光二极管参数
(1) （正向工作电压Forward Voltage）:正常工作时，二极管压降。
(2) （正向工作电流Forward Current）:正常工作时，发光二极管电流。
2.输出特性参数＜＝＞后端光敏三极管参数
(1) （集电极电流Collector Current）:三极管集电极电流。
(2) （集电极-发射极电压 C-E Voltage）:集电极-发射极两端电压。
(3) （C-E饱和电压 C-E Saturation Voltage）:二极管工作电流 和集电极电流 为规定值时，并保持 时（ 在被测管技术条件中规定）集电极与发射极之间的压降。
3.传输特性＜＝＞输入端与输出端关系（电流）
(1)电流传输比 CTR （Current Transfer Radio）
输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比 CTR 。在datasheet中该值有最小值。
三、常用电路设计
以非线性应用，即开关量控制应用为例。
1.常用电路原理图
图中， 电阻的位置可在三极管的C端或者E端。
在E端：如图示，表示 默认低电平，高电平为有效电平；
在C端： 在 后端或下端，表示 默认高电平，低电平为有效电平。
2.设计约束
通过查阅datasheet，确定上述重要参数后，设计输入输出端负载值的大小。
(1)
(2)光敏三极管工作于饱和区。
由上可推导公式：
式(1)
式(2)
两个式子中，除 外，其他为已知量或通过datasheet查阅到， 一般为0.4~0.7V， 一般为1.2V， CTR 一般为50%~600%， 一般为4mA~20mA。
式(1)可推导出两电阻之间比值关系，式(2)可得电阻数量级范围。
注： 通常会有典型值、测试值和最大值，通常选用测试值和典型值。前端设计时，注意防止误导通。
四、 CTR 的影响因素
一般，datasheet中会指出CTR的最小值及范围等，如果未指出，则需要查阅datasheet中的相关曲线图表。一般有以下影响因素：
1.光耦本身离散性;
2.温度影响：工作温度越高，CTR值越小；
3.原边电流IF影响：前向电流越大，CTR值越小；
4.Vce的影响：Vce必须大于一定电压（饱和电压刚刚好），Ic才能达到最大，CTR值才会大；
5.寿命影响：工作时间越长，CTR值越小。
五、工作在饱和区理解
以三极管输出特性曲线讲解：
从图中看出，当前端电流 确定下来的时候，后端输出电流 是具有最大值的（平行于横轴）。通俗点来理解：当前端电流固定时，传送给后端电流的能力是有限的，这个能力的学术名称就是CTR（电流传输比），CTR大就表示传输能力强，能驱动得起后端。
假设后端想要更大电流，但是光耦给不起了，在电阻RL一定的情况下，后端只能增大Vce的值，使实际的输出电流Ic维持在其能够提供的最大值。从图中来看就是，给我的 就只有这么大，我自己也只有这么大的能力，你想要更多，对不起我给不起，反正进入线性区之后， 最大就这么大了， 倒是想要多大就能变多大，我就通过改变 来维持住我 的最大值呗！
总之，你想要大电流，要么增大 ，要么换CTR大的光耦，或者按照设计约束重新设计两端电阻。你这个设计本身就不合理。
六、举例分析
例如图1中的光耦电路，假设 Ri = 1k,Ro = 1k,光耦CTR= 50%，光耦导通时假设二极管压降为1.6V，副边三极管饱和导通压降Vce=0.4V。输入信号Vi是5V的方波，输出Vcc是3.3V。Vout能得到3.3V的方波吗？
我们来算算：
If = (Vi-1.6V)/Ri = 3.4mA
副边的电流限制：Ic’≤ CTR*If = 1.7mA
假设副边要饱和导通，那么需要Ic’= (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA，大于电流通道限制，所以导通时，Ic会被光耦限制到1.7mA， Vout = Ro*1.7mA = 1.7V
所以副边得到的是1.7V的方波。
为什么得不到3.3V的方波，可以理解为图1光耦电路的电流驱动能力小，只能驱动1.7mA的电流，所以光耦会增大副边三极管的导通压降 来限制副边的电流到1.7mA。
解决措施：增大If；增大CTR；减小Ic。
对应措施为：减小Ri阻值；更换大CTR光耦；增大Ro阻值。
将上述参数稍加优化，假设增大Ri到200欧姆，其他一切条件都不变，Vout能得到3.3V的方波吗？
重新计算：If = (Vi – 1.6V)/Ri = 17mA；副边电流限制Ic’
≤ CTR*If = 8.5mA，远大于副边饱和导通需要的电流(2.9mA)，所以实际Ic = 2.9mA。
所以，更改Ri后，Vout输出3.3V的方波。
开关状态的光耦，实际计算时，一般将电路能正常工作需要的最大Ic与原边能提供的最小If之间 Ic/If的比值与光耦的CTR参数做比较，如果Ic/If ≤CTR，说明光耦能可靠导通。一般会预留一点余量（建议小于CTR的90%）。
以上六点即为对光耦简单应用的总结。
参考：
光耦选型最全指南及各种参数说明 - 百度文库