光耦合器IC：应用和元件选择

已创建：July 16, 2020
已更新：July 1, 2024

对于新手设计师来说，光耦合器听起来可能与电子学关系不大，但它们是提供不同电路块之间隔离的重要设备。光耦合器集成电路整合了光学元件，像一个简单的开关一样工作。它们易于引入不同的电路中，并且能够很好地提供运行在不同电压下的电路块之间的隔离。它们也非常适合用于不同电路块之间的反馈循环，特别是在需要隔离的地方。一些光耦合器还设计有在高数据速率下进行切换的功能。这里有一些光耦合器集成电路的选项，你可以快速导入到你的下一个电气或电光系统中。

什么是光耦合器？

非常简单地说，光耦合器集成了一个红外LED和一个光检测器（通常是光电晶体管），它像一个光开关一样工作。当LED接收到输入信号时，LED就会打开并向光电晶体管的基极提供光子。这会打开光电晶体管，允许电流流过连接的电路。LED可能与内部的光电晶体管运行在不同的电平上，这允许这两个信号级别之间有一定的隔离。这是一种将低电压信号导入高电压电路块而不使用放大器的方法。

光耦合器符号和脚印

因为这些组件是廉价的光学元件，它们很好地在不同的电路块之间提供了电气隔离，而不会在不同的电路块之间传导某些形式的EMI。这并不是说它们能解决所有噪音问题，但它们提供的隔离确实隔离了不同电压的系统，这有一个很好的好处，即抑制了系统两部分的地线环路噪音。NPN或PNP光电晶体管可以在光耦合器集成电路中找到。

光耦合器集成电路的类型

光耦合器可能使用除了光电晶体管之外的其他切换元件。以下是你在电子市场上会找到的其他类型的光耦合器集成电路：

三极晶闸管（Triac）：带有三极晶闸管作为检测器的光耦合器集成电路（IC）用于需要高输出电压/电流的系统中。它们的响应速度较慢，最适合需要高电流输出的高电压直流（DC）系统。
硅控整流器（SCR）：这些光耦合器也提供高增益，类似于三极晶闸管。然而，它们的响应也相当慢，最适合用于中等高电压/电流的直流系统。
光电二极管：带有光电二极管作为检测器的光耦合器在需要快速切换的系统中很常见。当LED通过一串数字脉冲或交流（AC）信号切换时，可以使用这些组件。与典型的光电晶体管IC相比，光电二极管将提供非常低的输出到输入电流转换比。
达林顿对光电晶体管：这些光耦合器也因其高增益而有用，它们提供最高的输出到输入电流转换比之一。
光敏电阻：这些较少使用，因为它们在关闭状态下仍然导电。它们也具有低输出到输入电流转换比。

光耦合器IC的重要规格参数

您可能首先会查看光耦合器IC的安装方式；它们可用于穿孔式DIP封装或作为表面贴装组件。然而，在选择光耦合器IC时，有一些重要的规格参数应当被检查：

LED正向电压和触发电流。这告诉您需要如何给您的输入LED供电以确保它打开并提供所需的切换行为。在设计为用方波或PWM信号切换的光耦合器中，触发开关所需的峰值正向电流取决于ON状态下信号的脉冲宽度。较短的脉冲需要更大的峰值信号电流来强制触发。
输出到输入电流比。这告诉您光耦合器两端之间的电流传输。注意，这取决于光电晶体管光耦合器的绝对最大集电极-发射极电压。
正向电压与正向电流曲线。这个规格的含义与标准LED相同，但不应与触发电流混淆。
温度变化。这些规格对于电源系统来说非常重要，因为它们在运行过程中可以达到高温。
安全等级和IEC/UL认证。如果您正在为电源系统或在接近交流主电的高电压环境中进行数据传输设计，IEC 60747-5-2是一个重要的标准，用以确保可以承受高瞬态电压。您需要遵循安全和绝缘指南以确保您符合安全标准。
数据率或切换速度。用于数据网络的组件通常会指定最大数据率，尽管也可以指定切换速度或频率。

以下是一些您可以在直流系统和低数据率应用中使用的光耦合器IC示例。

ON Semiconductor, FODM611

ON Semiconductor生产的FODM611光耦合器IC是一款单通道光耦合器，数据传输速率高达10 Mbps（NRZ，100 ns传播延迟）。该设备在5 V输出时，提供高共模瞬态噪声免疫性，非常适合工业网络（CAN、RS485和DeviceNet系统）或低速汽车系统。开关由连接到缓冲器的光电二极管触发（见下文）。

功能原理图和真值表，来自FODM611数据手册。

Broadcom, HCPL-7723-300E

Broadcom的HCPL-7723-300E设计用于更高的数据传输速率（最大PWD 2 ns的50 MBaud）。它具有集成的CMOS LED驱动器，输入信号触发驱动器开启。检测部分由光电二极管、高速跨阻放大器和带有输出驱动器的电压比较器组成。

功能原理图和真值表，来自HCPL-7723-300E数据手册。

Renesas, PS2802-4

Renesas的PS2802-4四通道光耦合器使用达林顿对光晶体管提供高输入至输出电流比，范围从2到20（额定集电极-发射极电压高达40 V）。该组件提供并行的4个通道，非常适用于需要隔离各种电压的电源管理系统。该组件的暗电流低至400 nA，因此在高功率系统的切换事件中几乎不浪费电力。此组件也提供单通道变体（PS2802-1，见下文）。