光电耦合元件
光电耦合元件是以光（含可见光、红外线等）作为媒介来传输电信号的一组装置[1]，其功能是平时让输入电路及输出电路之间隔离，在需要时可以使电信号通过隔离层的传送方式。光电耦合元件（英语：optical coupler，或英语：photo coupler），亦称光耦合器、光隔离器以及光电隔离器，简称光耦。
光电耦合元件可以在二个不共地的电路之间传递信号，二电路之间即使有高压也不会影响[2]。商用的光电耦合元件其输入对输出的耐压可以到10 kV[3]，而电压变化率可以快到10 kV/μs[4]。
光电耦合元件可分为模拟与数字两种，都是由光发射器和光侦测器组成。光发射器和光侦测器通常会整合到同一个封装，但它们之间除了光束之外不会有任何电气或实体连接。
常见的光电耦合元件是将发光二极管（LED）及光晶体管（LED）放在一个不透明的封装中。其他的组合有LED-光电二极管、LED-LASCR及灯泡-光敏电阻。光电耦合元件一般会传递数字信号，但配合一些技术，也可以用光电耦合元件传送模拟信号。
光电耦合元件广泛用于电气隔离、电平转换、驱动电路及工业通讯中，但因为寄生输入输出电容问题，其共模瞬变抑制（Common-Mode Transient Immunity）能力较弱[5]，此外，其速度受限、光电耦合元件的功耗较高，以及元件容易老化都是其问题[6]。
历史
[编辑]用光学方式耦合固态光发射器及半导体感测器的想法是在1963由Akmenkalns等人提出（US patent 3,417,249）。光敏电阻为基础的光电耦合元件在1968年问世，其速度慢，但是是最线性隔离元件，在音乐及音响产业中仍有其利基市场。LED技术在1968–1970年的商品化，使得光电工程大幅成长，在1970年代末各种主要的光电耦合元件均已开发出来。光电耦合元件的主力是双极性的硅光晶体感测器[7]，可以达到足够的的传输速度，足以用在像脑电图之类的应用上[8]，目前最快的光电耦合元件是利用光导模式的PIN型二极管。
原理
[编辑]光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动光发射源，使之发光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，具有很强的共模抑制能力[9]。所以，它在长线传输资讯中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在电脑数位通信及即时控制中作为信号隔离的界面器件，可以大大增加其工作之可靠性。
光耦合器的光发射源一般会是红外线的发光二极管，将电能转换为特定波长的光，在发射源及接收器之间会有封闭式的光通道（也称为电介质通道[10]），接收器是光感测器，感测特定波长的光，可能直接转换成电能量，也可能由此信号调变外部电源提供的电流。接收器可以是光敏电阻、光电二极管、光晶体管、可控硅整流器（SCR）或TRIAC。发光二极管除了发射光之外，也可以作为光感测元件，因此可以用发光二极管作光感测元件，即为对称性双向光耦合器。光耦合的固态继电器其中由有光电二极管的光耦合器来驱动功率开关，一般是一对互补的MOSFET。开槽光学开关包括光发射源及接收器，但其光通道有开口，若其他物体挡住开口，使光无法通过，则接收器产生的信号也会随之变化。
电气隔离
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电子零件、电气信号及电源线都会受到闪电、静电放电、电磁干扰、切换脉波及电源扰动所产生的电压所影响[11]。远方闪电可以感应大到10kV的电压，是许多电子元件耐压的一千倍[12]。电路也可以透过设计方式连接高电压，此时就需要安全而可靠的装置连接高电压及低电压的元件。。
光电耦合元件的主要功能之一是要阻隔高电压以及电压暂态，不让这些电路中的电压暂态影响电路的其他部分[2][13]。以往这类的机能会由隔离变压器实现，利用电感耦合让电流隔离的输入及输出端可以传递讯号。变压器及光电耦合元件是仅有二种提供加强保护的功能，同时保护设备以及使用这些设备的人员[14]。这些设备在物理上只有单一的隔离层，但提供的保护相当于IEC电器等级中，具有双重隔离的Ⅱ类电器[14]。光电耦合元件的安全性、测试及承认受到各国以及国际性标准的规范：IEC 60747-5-2，欧洲电工标准化委员会 60747-5-2、UL 1577及CSA Component Acceptance Notice #5等[15]。制造商发行的光电耦合元件规格至少需符合其中一项法规标准。
光电耦合元件透过由输入信号调变的光束连接输入端及输出端，会将有用的输入信息转换为光，让光通过介电质，送到接收端再转换为电气讯号。变压器的本质可以双向传递能量[note 3]，而且转换效率很高，而光电耦合元件和变压器不同，光电耦合元件多半只允许单向的信号转换（不过也有例外，参考双向光耦合器），而且不能转换功率[16]。一般光电耦合元件不转换能量，只能提供信号，用信号将输出侧能量调变后再输出[16]。光电耦合元件可以转换直流或是缓慢变化的信号，在输入及输出侧不需要阻抗匹配[note 4]。变压器及光电耦合元件都可以破坏不希望出现的接地回路，接地回路是在工业上及电气设备中常见的情形，会因为接地线造成大电流或是噪声电流[17]。
光电耦合元件的实体配置和其隔离电压的规格有关。若耐压在数kV以下，一般会用平面（或是三明治）的架构[18]。感测器晶粒会直接安装在其封装（多半是6引脚或是4引脚的双列直插封装）的导线架上[10]。感测器晶粒上方会包覆一层玻璃或是透明塑胶[10]。LED会在上方往下发光，减少光的损失，感测器的吸收频谱需要符合LED的输出频谱，多半都在近红外线的范围[19]。光通道会在可承容击穿电压而不会破坏的条件下，作的越薄越好[18]。例如，若短时间的电压要耐到3.75 kV，且要承受电压变化率1 kV/μs的电压，AvagoASSR-300的透明聚酰亚胺层只有0.08 mm厚[20]。平面组件的击穿电压会和光通道层的厚度[18]、以及连接晶粒和引脚的接合线的组态有关[10]。真正在电路中的绝缘电压会因为印刷电路板及包装表面的爬电距离有关。安全的设计准则会要求和裸金属导体至少要有25 mm/kV的距离，和涂层导体的最小距离则是8.3 mm/kV[21]。
若是耐压在2.5 to 6 kV之间的光电耦合元件，会采用另一种称为硅圆顶（silicone dome）的架构[22]。在此架构中，LED和感测器会放在包装的两侧，LED会向侧面的感测器发光[22]。LED、感测器及两者之间的空隙会用透明的硅氧树脂圆顶包覆住。圆顶的作用类似反射镜，会反射所有的杂散光，反射到感测器上，减少较长光通道造成的损耗[22]。若是双模设计，其硅圆顶（内模）及外壳（外模）之间会充填暗色的介电材质，而且有适当的热膨胀系数[23]。
种类
[编辑]| 元件形式[note 5] | 光源[10] | 感测器种类[10] | 速度 | 电流转换比（CTR）[note 6] |
|---|---|---|---|---|
| 电阻输出式光隔离器 （Vactrol） |
电灯泡 | CdS或CdSe光敏电阻（LDR） | 非常慢 | <100%[note 7] |
| 氖灯 | 低 | |||
| GaAs红外线LED | 低 | |||
| 二极管输出型光耦合器 | GaAs红外线LED | 硅光电二极管 | 最高 | 0.1–0.2%[24] |
| 晶体管输出型光耦合器[25] | GaAs红外线LED | 单一双极晶体管型硅光晶体管 | 中等 | 2–120%[24] |
| 达灵顿晶体管型光晶体管 | 中等 | 100–600%[24] | ||
| 光耦合式SCR | GaAs红外线LED | 硅控整流子 | 从低到中 | >100%[26] |
| 光耦合式TRIAC | GaAs红外线LED | TRIAC | 从低到中 | 非常高 |
| 固态继电器 | GaAs红外线LED叠层 | 光二极管叠层驱动 一对MOSFET或IGBT |
从低到高[note 8] | 实务上没有限制 |
- 晶体管耦合器：具有较高的换能效率，高耐压性，低输入驱动能力
- 高速集成电路输出耦合器：它有提供高速集成光能力的接收元件，速度为1－10兆赫兹。
- 三端双向可控硅耦合器：这种类型的耦合器主要用来控制AC载荷，例如发动机和螺线管。
- 线性耦合器：结构由红外线LED，与红外线接收二极管组成，其输出为纯电流讯号。输入电流与输出电流有线性关系比，在光电二极管未饱和前，为线性输出特性。
- 光电继电器SSR：又名固态继电器或光电MOSFET，因为在一个输出处里装配二颗MOSFET，在产品导通后，会与一般MOSFET相同，呈现电阻特性。
电阻输出式光耦合器
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最早期的光耦合器出现在1960年代，是由微型电灯泡为光源，使用硫化镉（CdS）或硒化镉（CdSe）光电阻（也称为光敏电阻，LDR）为接收器，即为电阻输出式光耦合器。若在控制线性度不太重要的场合，或是可用电流太小，无法点亮电灯泡的情形（例如真空管放大器），会用氖灯代替电灯泡。这类设备（或者只是LDR）一般称为Vactrols，是Vactec公司的商标。不过此商标已经属于通用商标[note 9]，但原始的Vactrols仍然由珀金埃尔默制造[27][note 10]。
电灯泡的点亮及熄灭时间约需数百毫秒，因此电灯泡变成等效的低通滤波器及整流器但也限制了频率超过几赫兹以上的应用。发光二极管（LED）在1968年–1970年引入，[28]，制造商将电灯泡及氖灯改成LED，反应时间降到5ms，而且调变频率可以高到 250 Hz.[29]。Vactrol此一商品也包括LED基础的零件，在2010年仍有小量的生产[30]。
光电耦合元件中的光电阻是靠一层半导体均匀薄膜上的体效应，没有p-n结[31]。光感测器及光电阻器都是非极性元件，适用于交流及直流电路[31]。其电阻降和入射光的强度成反比，从本质上接近无限大，到小于100欧姆的残余电阻[31]。这些性质让最早的Vactrol变成一个可用在电信网络的动态范围压缩及自动增益控制元件，既便宜及方便。光电阻的耐压可以到400 volts,[31]，因此是驱动真空荧光显示器的理想元件。其他工业化应用包括复印机、工业自动化技术、专业测光设备以及曝光量测的曝光量测计[31]。这些应用大部分都已经过时，不过电阻输出式光耦合器在音响上仍有其优势，特别是在吉他音箱市场中。
1960年代美国的吉他及风琴制造商用电阻输出式光耦合器作为便宜及方便的震音调制器。芬达乐器公司早期的震音效果是用两个真空管，在1964年后一个真空管就被由光敏电阻及氖灯组成的光耦合器取代了[32]。至今透过踏下效果器踏板而启动的Vactrols在音乐产业中无所不在[33]。缺乏真正的PerkinElmer Vactrols迫使DIY吉他社群开始自制电阻输出式光耦合器[34]。到目前为主，吉他手喜欢光耦合器的效果，因为电路架构分离了音源地及控制地的信号，因此“有本质上高品质的声音”[34]，不过光耦合器在及线性电平位准的失真仍比专业的电耦合式压控放大器要大[35]。而且这类光耦合器的性能会进一步的被因为光记忆（light history，镉化合物本质上会有的记忆效应）造成的电阻缓慢波动而影响。这类波动需数个小时才会稳定下来，而且只能被控制电路中的反馈抵消部分的影响[36]。
光二极管输出型光耦合器
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光二极管输出型光耦合器利用LED为光源，硅的光电二极管为感测器。若光二极管被外部电压源逆向偏压，入射光会减少二极管上的负向电流。二极管本身不会产生能量，而是调变由外部来源提供的能量。这种运作方式称为“光导模式”（photoconductive mode）。相对的，若没有外部的偏压，二极管会转换光能为电势能，将电压差最多有0.7 V的端子充电。充电的速度和入射光的强度成正比。可以透过外部的高阻阻路径排出电荷来获得能量，电流转换比例可以高到0.2%[24]，此模式称为“光伏模式”（photovoltaic mode）。
最快的光耦合器是使用在光导模式下的PIN二极管，其反应时间是在纳秒以下，整体的系统速度会受限于LED输出及偏压电路，为了要减少其延迟，高速的数位光耦合器会将LED驱动电路以及输出放大器整合到其光耦合器，以让速度最佳化。这类设备称为全逻辑光耦合器，其LED、感测器及相关驱动电路及数位逻辑电路都封装在一个包装内[37]。惠普在1970年代末推出的6N137/HPCL2601系列都有内部的输出放大器，其通讯速度可以到10 MBd[38]。这也成为当时的产业标准，一直到后来从惠普分家的安捷伦科技，在2002年导入 50 MBd的元件7723/0723系列，才超越此一标准[note 11][39]，其中包括CMOS的LED驱动器以及CMOS 缓冲放大器，需要二组独立的5V电源[40]。
光二极管输出型光耦合器可以用做类比信号的界面电路，不过二极管的电流电压非线性特性会造成振幅变形。Burr-Brown公司导入了一种特殊的类比光耦合器，用二个相同的光二极管及输入端的运算放大器来补偿二极管的非线性。其中一颗光二极管放在放大器的回授路径上，因此可以维持固定的电流转换比，不会受到光二极管的非线性影响[41]。
在2011年6月3日有厂商提出了新的类比光耦合器概念，概念的组态包括二部分，一部分的电路负责转换信号，另一组则负责产生负回授，以确保输出信号和输入的相同。提出的类比隔离器在大范围的工作电压及频率下都是线性的[42]。不过线性的电阻输出式光耦合器以前就已使用此一概念，例如IL300[43]。
利用MOSFET制成的固态继电器开关一般会配合一个二极管输出型光耦合器来驱动开关。MOSFET的闸极需要相对较小的电荷来使其开启，且其稳态的漏电流较小。光伏模式的二极管输出型光耦合器可以在短时间内产生导通的电荷来使其开启，但其输出电压比MOSFET阈值电压要小很多。为了使输出电压大于阈值电压，固态继电器会将最多13个光二极管串联，以产生需要的电压[23]
光晶体管输出型光耦合器
[编辑]光晶体管在本质上就比光二极管要慢[44]。最早期且速度最慢的是4N35光耦合器，在100 Ohm负载下，上升及下降时间需5微秒，但仍相当常用[45]，其带宽无法超过10 kHz，10 kHz就可以应用在像脑电图[8]或是脉冲宽度调变马达控.[46]的应用。像1983年原始的MIDI规格就建议用像PC-900或6N138光耦合器[47]，让数位资料的传输速度可以到数十kps[48]。为了达到最快的速度，光晶体管需要适合的偏置及提供适当的负载，例如4N28在最佳偏置下可以运作到50 kHz，但一般情形只有4 kHz[49]。
设计光晶体管输出型光耦合器的电路需要针对常见电子元件参数的大幅波动预留足够的裕度[49]。有些参数的波动是破坏性的，例如若直流-直流转换器回授电路中的光耦合器其传递函数变化，而且产生寄生振荡[22]，或是光耦合器有未预期的延迟，会造成H桥中某一脚的短路[50]，供应商的资料表只列出关键参数的最坏情形数值。实际的元件常会以一些不可预测的方式，让情形比资料表中的最坏情形更差[49]鲍伯·皮斯发现某一些4N28的电流转换器可以从15%变化到超过100%，资料表只列出其最小值10%。晶体管双极性晶体管的beta可能从300变化到3000，因此带宽变化为10:1[49]。
利用场效应管（FET）为感测器的光耦合器较少见，像vactrol一様，若FET的跨压没有超过数百 mV时，可以用来作远端控制的类比电位器[41]。光学的FET在导通时不需注入电荷到输出电路中，特别适用在取样保持电路中[13]
双向光耦合器
[编辑]目前提到所有的光耦合器都是单向的，光学通道是单向的，信号从光源（LED）传到感测器。感测器可能是光电阻器、光二极管或是光晶体管，但都不能发射光线[note 12]。但LED和其他的光电二极管一様[note 13]可以侦测入射的光，因此在概念上可以用一组LED作双向的光耦合器。最简单的双向光耦合器只是一组彼此相对的LED，再用热缩套管包覆在一起，若是需要，LED之间的间隙可以用光导纤维来延伸[51]。
可见光LED的转换效率较差，一般双向设备一般会用近红外线的GaAs、GaAs:Si及砷化铝镓LED。用GaAs:Si的LED所制的双向光耦合器，不论运作在光电二极管的光伏（photovoltaic）模式或是光导（photoconductive）模式下，电流转换效率都只有0.06%，比用光二极管的单向光耦合器要差[52]，但已经符合实际的应用需求[51]。
应用
[编辑]光电耦合元件广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、数位仪表、远距离信号传输（工业通讯）、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机电界面中。
在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦回馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的[53]。
组态种类
[编辑]一般来说，光电耦合元件是封闭配对的配置，也就是在在一个不透明的封装内有光发射器及光感测器面对面摆放。
有些光电耦合元件是“槽型耦合元件-中断器”的组态[54]，光电耦合元件在发射器及感测器之间有开槽，而且可以影响其信号。这类的光电耦合元件适用在物体侦测，振动侦测，以及无弹跳的切换。
有些光电耦合元件是“反射对”的组态[54]，其中有一个光源会发射光，另一个接收源，但是是接收由其他物体反射的光。反射式的光电耦合元件适用在转速表、运动侦测器以及反射监视器。
后面两种也称为“光感测器”（optosensors）。
参看
[编辑]脚注
[编辑]- ^ 也有些图示会省略中间的阻隔介质，用有方向性的箭头表示信号流动方向
- ^ 依照Basso and by Mims, p. 100中的概念图。真正的LED及感测器会小很多
- ^ 变压器可以有任意多组的线圈，任何一组都可以作为一次绕组，将能量传送到公共磁蕊，或是二次绕组，将能量从磁蕊转换回电路中
- ^ 输入侧的电路需搭配光电耦合元件的LED电路，输出侧的电路需搭配光电耦合元件的感测器电路，但输入侧电路和输出侧电路不需互相搭配
- ^ 可以看Horowitz and Hill的597页，其中有一个扩充的光电耦合元件列表，列出其电气符号以及典型的应用
- ^ 电流转换比（CTR）是感测器输出电流和光源端输入电流之间的比例
- ^ 经过光电阻器的电流和电阻两端的电压成正比，理论上可以超过输入电流的100%，但实务上因为焦耳定律发热产生的耗散，会使电流转换比小于100%
- ^ 低价的固态继电器会有数十微秒的切换时间。现代的高速固态继电器（例如Avago的ASSR-300）切换时间小于70纳秒
- ^ 依照美国专利及商标局所述，1969年注册，针对“配合光源的光电池”的商标已经失效(USPTO database record serial number 72318344 （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Retrieved November 5, 2010)。1993年此商标有再册，内容是“作为医用吸引导管组件的外科管连接器”目前仍有效，是由Mallinckrodt公司拥有此商标(USPTO database record serial number 74381130 （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Retrieved November 5, 2010).
- ^ Vactec已被国防承包商EG&G（Edgerton, Germeshausen, and Grier, Inc.）在1983年收购。1999年EG&G收购以前独立的PerkinElmer。凯雷集团的一个子公司Silonex也有其电阻输出式光耦合器Audiohm Optocouplers
- ^ 安捷伦科技的半导体部门，自2005年起分离为一个独立的公司Avago Technologies
- ^ 例外：第三代及第四代GaAsP光二极管可以发光Mims, p. 102.
- ^ "Even the garden variety signal diodes you use in circuits have a small photovoltaic effect. There are amusing stories of bizarre circuit behavior finally traced to this." - Horowitz and Hill McCoulny, p. 184.
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外部链接
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