一、 光耦的使用
光耦一般用于信號(hào)的隔離。當(dāng)兩個(gè)電路的電源參考點(diǎn)不相關(guān)時(shí)，使用光耦可以保證在兩邊不共地的情況下，完成信號(hào)的傳輸。
1）光耦的基本原理
光耦的原理圖如下所示，其內(nèi)部可以看做一個(gè)特殊的“三極管”；一般的三極管是通過(guò)基極B和發(fā)射極E間的電流，去控制集電極C和發(fā)射極E間的電流；而光耦可以看做是用輸入端的發(fā)光管的光強(qiáng)度在控制輸出端的電流；而輸入端的發(fā)光管是個(gè)二極管，也就是用輸入端的電流去控制輸出端的電流，功能上和三級(jí)管是等效的，而由于中間的控制是靠光傳輸，所以輸入端和輸出端可以沒(méi)有固定的電壓差，也即相互隔離。

和三極管的特性一樣，光耦可以傳輸模擬信號(hào)也可以傳輸數(shù)字信號(hào)；也有飽和區(qū)、放大區(qū)、截止區(qū)。
2）光耦的典型應(yīng)用電路
我們還是先考慮光耦傳輸數(shù)字信號(hào)，類(lèi)似與三極管的開(kāi)關(guān)特性，如下圖：

輸入端加入5V的方波脈沖，經(jīng)過(guò)限流電阻后輸入光耦的輸入端；發(fā)光二極管會(huì)周期性地導(dǎo)通、截止；輸出端使用和三極管類(lèi)似共射級(jí)的接法，從集電極輸出；和共射極三極管電路類(lèi)似，光耦的輸出也會(huì)反相。
當(dāng)輸入高電平，二極管發(fā)光，光耦的3、4腳導(dǎo)通，那么R2上有電流通過(guò)，如果光耦達(dá)到飽和狀態(tài)，R2上壓降接近輸出端的電壓，3、4間的電壓很低（只有0.x伏），即輸出低電平；當(dāng)輸入低電平，二極管截止不發(fā)光，3、4不導(dǎo)通，輸出端電壓被拉高的電源附近，即輸出高電平。由此可見(jiàn)該電路實(shí)現(xiàn)了反相器的作用。（由于仿真軟件需要固定的電平才能運(yùn)行和顯示，這里仿真圖中輸入和輸出是共地的，實(shí)際上大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，輸入和輸出是兩個(gè)不相關(guān)的電源，正因?yàn)橐ＷC隔離，才會(huì)使用光耦）
3）光耦的參數(shù)選擇和電路設(shè)計(jì)
選擇光耦時(shí)，需要關(guān)注輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、傳輸比等等，我們以TL521光耦為例，如果需要設(shè)計(jì)一個(gè)隔離的數(shù)字信號(hào)傳輸電路，兩邊的電平都為5V，按如下步驟設(shè)計(jì)：
TL521光耦的一些參數(shù)如下


首先，關(guān)注輸入端，可以看到其輸入工作電流為幾mA至25mA，輸入壓降在10mA時(shí)為1V~1.3V，那么我們選擇輸入端的電阻，使得它導(dǎo)通時(shí)為10mA左右就能達(dá)到比較好的工作狀態(tài)，那么輸入電阻取：
R = （5V-1.2V）/10mA = 380Ω
其次，需要關(guān)注一個(gè)很重要的參數(shù)，電流傳輸比，即上圖中的 Current Transfer Ratio，這個(gè)參數(shù)對(duì)于不同的光耦有很大不同，它表征的是：輸出端的電流 比 輸入端的電流。當(dāng)然這個(gè)值只是在放大區(qū)有效，和三極管類(lèi)似，表征了輸出端可能達(dá)到的最大電流時(shí)的比值。
由于我們是用作傳輸數(shù)字信號(hào)，所以只用關(guān)注光耦的截止區(qū)和飽和區(qū)；截止比較好說(shuō)，輸入端無(wú)輸入時(shí)，輸出端必然截止；而什么時(shí)候飽和呢？這取決于輸出端的電壓和電阻。
我們先計(jì)算輸出端可能達(dá)到的電流，當(dāng)輸入端為10mA時(shí)，該光耦的傳輸比最小為50%，也即輸出端在外部電路合適的情況下，最小也有輸出10mA*50% = 5mA 的能力。所以，為了保證輸入端有電壓時(shí)輸出端進(jìn)入飽和區(qū)，則需要的輸出端電阻最小為：
R = 5V / 5mA = 1kΩ
當(dāng)電阻更大時(shí)，導(dǎo)通時(shí)電阻上的壓降更大，就更容易進(jìn)入飽和區(qū)。
仿真的圖形如下，輸入和輸出同相。
注意這個(gè)電路形式，輸出端電阻接到了發(fā)射極，類(lèi)似三極管的共集電極電路（射極輸出電路）。

除了上面說(shuō)的一些設(shè)計(jì)方法，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需要關(guān)注輸出端的最大電壓、傳輸?shù)乃俾实鹊纫恍﹨?shù)；此外，光耦的這些參數(shù)，與溫度相關(guān)性較大，要查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)里的圖表來(lái)確定各種參數(shù)和溫度之間的關(guān)系。這里就不展開(kāi)講了。
4）光耦的保護(hù)電路
實(shí)際使用時(shí)，一般光耦的輸入端需要加一些保護(hù)電路，以免輸入信號(hào)異常導(dǎo)致光耦損壞，下圖是一個(gè)典型的光耦輸入保護(hù)電路：

相比與基本的光耦隔離電路，它多了一個(gè)反向二極管、一個(gè)電容、一個(gè)電阻。
反向并聯(lián)的二極管是用于防止輸入信號(hào)接反是，損壞光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管（一般光耦的輸入反向耐壓為5V），接入該二極管后，如果有反向電壓輸入，此二極管會(huì)將反向電壓限制在1V以?xún)?nèi)。
并聯(lián)的電容用于濾波，如果輸入信號(hào)有高頻干擾，并聯(lián)的電容和串聯(lián)的限流電阻會(huì)形成一個(gè)RC低通濾波器的效果，濾除較高頻率的干擾；但是接入電容后，會(huì)使得傳輸?shù)男盘?hào)變慢。
并聯(lián)的電阻，一方面可以去除一些干擾，使得較低電壓的干擾信號(hào)輸入不會(huì)使得光耦導(dǎo)通；另一方面，電阻可以加快電容的放電時(shí)間，這樣可以減弱接入電容后信號(hào)變慢的影響。
5）光耦隔離模擬信號(hào)
光耦的特性和三極管很像，它即可以工作在截止區(qū)和飽和區(qū)隔離數(shù)字信號(hào)，也可以工作在放大區(qū)用于隔離模擬信號(hào)，如下圖：
圖中使用的是HCNR201光耦，這種光耦具有特殊的性質(zhì)，它有一個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端；兩個(gè)輸出端的特性高度一致，即輸入端有電流流過(guò)時(shí)，在兩個(gè)輸出端產(chǎn)生的輸出電流也 一樣。
利用這個(gè)特性，將一路輸出用于反饋給輸入端，一路輸出到隔離端，可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的隔離。

該圖的分析過(guò)程如下：
首先，判定運(yùn)放是否在負(fù)反饋，當(dāng)運(yùn)放輸出電壓變大時(shí)，光耦發(fā)光二極管電流變大，輸出端電流也變大，R6電流變大，運(yùn)放負(fù)端輸入電壓升高，這會(huì)使得運(yùn)放輸出變小，所以是負(fù)反饋；
其次，由于運(yùn)放的虛短特性，R6上的電壓和輸入信號(hào)源的電壓相等；
最后，由于光耦的兩個(gè)輸出端狀態(tài)一致，輸出的電流相等，則R7上產(chǎn)生的壓降和R6上的壓降也相等，也即R7上的電壓等于輸入電壓，以此實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的隔離。
由仿真圖可以看出，R6上的信號(hào)變化與信號(hào)源輸入一致，R7上輸出的信號(hào)也與它們一致。
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參考鏈接：https://blog.csdn.net/little_grapes/article/details/120443941
二、 關(guān)于TLP521的使用
做畢業(yè)設(shè)計(jì)要用到光耦合，選了個(gè)TLP521型的感覺(jué)是電流驅(qū)動(dòng)型的，中間出現(xiàn)了些問(wèn)題，拿出來(lái)探討，希望大家不要出現(xiàn)類(lèi)似的錯(cuò)誤。
重要參數(shù)：輸入輸出電流都是50ＭＡ左右，這是最大值吧，最好不要超過(guò)８０MA，不過(guò)太小了也不行，太小了輸入端不能使發(fā)光二極管導(dǎo)通。
限流一般用限流電阻實(shí)現(xiàn)。電壓范圍較大，就輸入級(jí)而言，導(dǎo)通時(shí)就不用說(shuō)，就是發(fā)光二極管的電壓，不過(guò)正反向偏壓好像不能超過(guò)5~6Ｖ的樣子。輸出級(jí)電壓范圍更大，只要不大于５０Ｖ就行，不過(guò)我有點(diǎn)懷疑受光三極管是否能承受，不過(guò)懷疑是懷疑，我也沒(méi)做過(guò)具體實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
下面是TLP的引腳圖，他有三種封裝，不過(guò)用法都一樣：

TLP521光耦的1、2兩個(gè)腳是發(fā)光側(cè)，3、4兩個(gè)腳是受光側(cè)。

1－2腳之間并聯(lián)電阻是分流作用，防止發(fā)光二極管暗亮產(chǎn)生誤動(dòng)作，也可以不要這個(gè)，沒(méi)什么影響。

以TLP521－1為例，輸出接單片機(jī)IＯ口，輸出端為NPN型光電三極管結(jié)構(gòu)，3腳為發(fā)射極，4腳為集電極，受光點(diǎn)為基極，接線方式有兩種：
方法一：3腳下拉電阻接地，4腳接＋5V，3腳為I/O輸出端，這種接法導(dǎo)通輸出為1，截止輸出為0。
方法二：4腳上拉電阻接＋5V，3腳接地，4腳為I/O輸出端，這種接法導(dǎo)通輸出為0，截止輸出為1。
備注：3腳接電阻不是下拉電阻，組成了射極跟隨器。4腳接電阻才是開(kāi)關(guān)電路接法
網(wǎng)上大都采用這兩種接法，好像采用方法一的比例多謝，不過(guò)我用方法一出現(xiàn)了問(wèn)題，就是在不接入單片機(jī)IO口單獨(dú)測(cè)試時(shí)，峰峰值電壓可以達(dá)到接近+5V的方波信號(hào)（我本來(lái)要得到是方波信號(hào)，用來(lái)輸入單片機(jī)INT0口做中斷）。
不過(guò)當(dāng)按方法一將輸出接入單片機(jī)IO口INT0時(shí)，輸出方波信號(hào)被拉低了，只有3.2V左右的峰值，根本驅(qū)動(dòng)不了IO口，也就產(chǎn)生不了中斷。所以我改用了方法二，后來(lái)發(fā)現(xiàn)方法二可行，輸出方波電壓沒(méi)有被拉低，可以很好驅(qū)動(dòng)IO口。
下面是我用兩種方法所連接的protues圖：
方法一：4腳下拉電阻接地，5腳接＋5V，4腳為I/O輸出端，這種接法導(dǎo)通輸出為1，截止輸出為0。

方法二：5腳上拉電阻接＋5V，4腳接地，5腳為I/O輸出端，這種接法導(dǎo)通輸出為0，截止輸出為1。

關(guān)于為何用方式一輸出電壓被拉低，具體原因我也不清楚，我想大概是用方式二有個(gè)三極管在輸出端和地之間做隔離所以不會(huì)被拉低吧相當(dāng)于是灌電流了，而方式一直接是IO口與電阻，地相接，產(chǎn)生的是拉電流。反正我可能分析的也不對(duì)。但三極管在中間起作用是肯定的了。
使用的過(guò)程中最主要的還是控制流過(guò)管子的電流的大小，以免燒壞管子。一般通過(guò)電流值計(jì)算應(yīng)該接入電阻的大小，起限流作用。
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參考鏈接：https://blog.csdn.net/xiaoyangger/article/details/6394772

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的硬件设计【1】——光耦的基本原理及TLP521使用的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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