光耦知識(shí)解析及光耦工作原理-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2021-05-14
光耦合器（opticalcoupler，英文縮寫(xiě)為OC）亦稱(chēng)光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)(fā)光器（紅外線發(fā)(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)(nèi)。
當(dāng)(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)(fā)光器發(fā)(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)(qiáng)，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號(hào)等優(yōu)(yōu)點(diǎn)(diǎn)，在數(shù)(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)(yīng)用。
光電耦合器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。
非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類(lèi)光耦適合于開(kāi)關(guān)(guān)信號(hào)的傳輸，不適合于傳輸模擬量。常用的4N系列光耦屬于非線性光耦。
線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號(hào)時(shí)性能較好，能以線性特性進(jìn)(jìn)行隔離控制。常用的線性光耦是PC817A—C系列。
開(kāi)關(guān)(guān)電源中常用的光耦是線性光耦。如果使用非線性光耦，有可能使振蕩波形變壞，嚴(yán)(yán)重時(shí)出現(xiàn)(xiàn)寄生振蕩，使數(shù)(shù)千赫的振蕩頻率被數(shù)(shù)十到數(shù)(shù)百赫的低頻振蕩依次為號(hào)調(diào)(diào)制。
由此產(chǎn)(chǎn)生的后果是對(duì)彩電，彩顯，VCD，DCD等等，會(huì)在圖像畫(huà)面上產(chǎn)(chǎn)生干擾。同時(shí)電源帶負(fù)(fù)載能力下降。在彩電，顯示器等開(kāi)關(guān)(guān)電源維修中如果光耦損壞，一定要用線性光耦代換。
常用的4腳線性光耦有PC817A----C。PC111 TLP521等常用的六腳線性光耦有：LP632 TLP532 PC614 PC714 PS2031等。常用的4N25 4N26 4N35 4N36是不適合用于開(kāi)關(guān)(guān)電源中的，因?yàn)檫@4種光耦均屬于非線性光耦。
光耦合器的主要優(yōu)(yōu)點(diǎn)(diǎn)是單向傳輸信號(hào)，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。[3]它廣泛用于電平轉(zhuǎn)(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、開(kāi)關(guān)(guān)電路、遠(yuǎn)(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)(tài)繼電器(SSR）、儀器儀表、通信設(shè)(shè)備及微機(jī)(jī)接口中。
當(dāng)(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)(fā)光二極體通過(guò)電流而發(fā)(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)(chǎn)生電流，CE導(dǎo)(dǎo)通；當(dāng)(dāng)輸入端無(wú)信號(hào)，發(fā)(fā)光二極體不亮，光敏三極管截止，CE不通。對(duì)于數(shù)(shù)位量，當(dāng)(dāng)輸入為低電平“0”時(shí)，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)(dāng)輸入為高電平“1”時(shí)，光敏三極管飽和導(dǎo)(dǎo)通，輸出為低電平“ 0”。若基極有引出線則可滿足溫度補(bǔ)(bǔ)償、檢測(cè)調(diào)(diào)制要求。這種光耦合器性能較好，價(jià)格便宜，因而應(yīng)(yīng)用廣泛。
光耦工作原理
耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)(yīng)用。目前它已成為種類(lèi)最多、用途最廣的光電器件之一。
光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)(qū)動(dòng)發(fā)(fā)光二極管（LED），使之發(fā)(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)(chǎn)生光電流，再經(jīng)(jīng)過(guò)進(jìn)(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)(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，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。
所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)(jī)數(shù)(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大提高計(jì)算機(jī)(jī)工作的可靠性。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)(qiáng)的共模抑制能力。
光耦是隔離傳輸器件，原邊給定信號(hào)，副邊回路就會(huì)輸出經(jīng)(jīng)過(guò)隔離的信號(hào)。對(duì)于光耦的隔離容易理解，此處不做討論。
以一個(gè)簡(jiǎn)單的圖（圖.1）說(shuō)明光耦的工作：原邊輸入信號(hào) Vin，施加到原邊的發(fā)(fā)光二極管和 Ri 上產(chǎn)(chǎn)生光耦的輸入電流If，If 驅(qū)(qū)動(dòng)發(fā)(fā)光二極管，使得副邊的光敏三極管導(dǎo)(dǎo)通，回路VCC、RL產(chǎn)(chǎn)生Ic,Ic 經(jīng)(jīng)過(guò)RL產(chǎn)(chǎn)生Vout，達(dá)(dá)到傳遞信號(hào)的目的。原邊副邊直接的驅(qū)(qū)動(dòng)關(guān)(guān)聯(lián)(lián)是CTR（電流傳輸比），要滿足 Ic≤If*CTR。
光耦一般會(huì)有兩個(gè)用途：線性光耦和邏輯光耦，如果理解？
工作在開(kāi)關(guān)(guān)狀態(tài)(tài)的光耦副邊三極管飽和導(dǎo)(dǎo)通，管壓降<0.4V，Vout 約等于 Vcc（Vcc-0.4V左右），Vout大小只受Vcc大小影響。此時(shí)Ic
工作在線性狀態(tài)(tài)的光耦，Ic=If*CTR，副邊三極管壓降的大小等于 Vcc-Ic*R L ，Vout=Ic*RL=(Vin-1.6V)/Ri * CTR*RL ，Vout大小直接與Vin成比例，一般用于反饋環(huán)(huán)路里面 (1.6V是粗略估計(jì)，實(shí)際要按器件資料，后續(xù)(xù) 1.6V 同) 。
對(duì)于光耦開(kāi)關(guān)(guān)和線性狀態(tài)(tài)可以類(lèi)比為普通三極管的飽和放大兩個(gè)狀態(tài)(tài)。
所以通過(guò)分析實(shí)際的電路，除去隔離因素，用分析三極管的方法來(lái)分析光耦是一個(gè)很有效的方法。此方法對(duì)于后續(xù)(xù)分析光耦的CTR參數(shù)(shù)，還有延遲參數(shù)(shù)都有助于理解。
1、光耦能否可靠導(dǎo)(dǎo)通實(shí)際計(jì)算
舉例分析，例如圖.1 中的光耦電路，假設(shè)(shè)Ri=1k,Ro=1k,光耦 CTR=50%，光耦導(dǎo)(dǎo)通時(shí)假設(shè)(shè)二極管壓降為1.6V，副邊三極管飽和導(dǎo)(dǎo)通壓降 Vce=0.4V。輸入信號(hào)Vi是5V的方波，輸出Vcc是3.3V。Vout能得到3.3V的方波嗎？
我們來(lái)算算：If=(Vi-1.6V)/Ri=3.4mA
副邊的電流限制：Ic’≤ CTR*If = 1.7mA
假設(shè)(shè)副邊要飽和導(dǎo)(dǎo)通，那么需要 Ic’= (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA，大于電流通道限制，所以導(dǎo)(dǎo)通時(shí)，Ic 會(huì)被光耦限制到 1.7mA， Vout = Ro*1.7mA=1.7V，所以副邊得到的是1.7V的方波。
為什么得不到3.3V的方波，可以理解為圖.1 光耦電路的電流驅(qū)(qū)動(dòng)能力小，只能驅(qū)(qū)動(dòng)1.7mA的電流，所以光耦會(huì)增大副邊三極管的導(dǎo)(dǎo)通壓降來(lái)限制副邊的電流到1.7mA。
解決措施：增大 If；增大 CTR；減小 Ic。對(duì)應(yīng)(yīng)措施為：減小 Ri 阻值；更換大 CTR 光耦；增大 Ro 阻值。
將上述參數(shù)(shù)稍加優(yōu)(yōu)化，假設(shè)(shè)增大 Ri 到 200 歐姆，其他一切條件都不變，Vout 能得到3.3V的方波嗎？
重新計(jì)算：If=(Vi–1.6V)/Ri=17mA；副邊電流限制 Ic’≤ CTR*If = 8.5mA，遠(yuǎn)(yuǎn)大于副邊飽和導(dǎo)(dǎo)通需要的電流(2.9mA)，所以實(shí)際 Ic = 2.9mA。所以，更改 Ri 后，Vout 輸出 3.3V 的方波。
開(kāi)關(guān)(guān)狀態(tài)(tài)的光耦，實(shí)際計(jì)算時(shí)，一般將電路能正常工作需要的最大 Ic 與原邊能提供的最小 If 之間 Ic/If 的比值與光耦的 CTR 參數(shù)(shù)做比較，如果 Ic/If ≤CTR，說(shuō)明光耦能可靠導(dǎo)(dǎo)通。一般會(huì)預(yù)(yù)留一點(diǎn)(diǎn)余量（建議小于 CTR 的 90%）。
2、CTR 受那些因素影響
1)光耦本身：以8701為例，CTR在Ta=25℃/If=16mA 時(shí)，范圍是(15%~35%)
說(shuō)明8701這個(gè)型號(hào)的光耦，不論何時(shí)/何地，任何批次里的一個(gè)樣品，只要在Ta=25℃/If=16mA 這個(gè)條件下，CTR是一個(gè)確定的值，都能確定在 15%~35%以?xún)?nèi)。 計(jì)算導(dǎo)(dǎo)通時(shí)，要以下限進(jìn)(jìn)行計(jì)算，并且保證有余量。計(jì)算關(guān)(guān)斷時(shí)要以上限。
2)殼溫影響：
Ta=25℃條件下的 CTR 下限確定了，但往往產(chǎn)(chǎn)品里面溫度范圍比較大，比如光耦會(huì)工作在（-5~75℃）下，此種情況下 CTR 怎么確定？還是看 8701 的手冊(cè)：有 Ta-CTR 關(guān)(guān)系圖：
從圖中看出以25度的為基準(zhǔn)(zhǔn)，在其他條件不變的情況下，-5度下的CTR是25度下的 0.9 倍左右，75度下最小與25度下的CTR持平。
所以在 16mA/(-5~75℃)條件下，8701的CTR 最小值是 15%*0.9=13.5%
3) 受If影響。
假設(shè)(shè)如果實(shí)際的If是3.4mA，那么如何確定CTR在If=3.4mA / Ta=(-5~75℃)條件下的最小CTR值。
查看8701的If-CTR曲線。圖中給出了三條曲線，代表抽取了三個(gè)樣品做測(cè)試得到的If-CTR曲線，實(shí)際只需要一個(gè)樣品的曲線即可。
上述CTR影響到信號(hào)能不能傳過(guò)去的問(wèn)題，類(lèi)似于直流特性。下面主要分析光耦的延時(shí)特性，即光耦能傳送多快信號(hào)。
涉及到兩個(gè)參數(shù)(shù)：光耦導(dǎo)(dǎo)通延時(shí)tplh和光耦關(guān)(guān)斷延時(shí)tphl，以8701為例 ：在If=16mA/Ic=2mA時(shí)候，關(guān)(guān)斷延時(shí)最大0.8uS，導(dǎo)(dǎo)通延時(shí)最大1.2uS。所以用 8701 傳遞 500k以上的開(kāi)關(guān)(guān)信號(hào)就需要不能滿足。
下圖是一個(gè)實(shí)測(cè)的延時(shí)波形（ch4原邊（紅），ch2副邊（綠））
對(duì)于tp參數(shù)(shù)的設(shè)(shè)計(jì)更應(yīng)(yīng)該考慮余量，因?yàn)閠p參數(shù)(shù)也受其他因素影響較多。
1) 受溫度影響
8701的Ta-If特征曲線：溫度升高，開(kāi)關(guān)(guān)延時(shí)都會(huì)增大。
2) 受原邊If大小影響
8701的tp-If特征曲線：If增大，關(guān)(guān)斷延時(shí)減小，開(kāi)通延時(shí)增大
3) 受副邊Ic大小影響
8701 的 tp-R L 特征曲線：R L 減小，導(dǎo)(dǎo)通延時(shí)增大明顯
針對(duì)具體電路的特點(diǎn)(diǎn)，計(jì)算最大延時(shí)時(shí)也是采用與 CTR 一樣的方法，通過(guò)器件資料給定特定環(huán)(huán)境下的準(zhǔn)(zhǔn)確范圍，然后逐一通過(guò)三個(gè)曲線確定具體電路下的光耦最大延時(shí)。
注：同一個(gè)型號(hào)的光耦 CTR/延時(shí)特性是一致的，不同光耦的延時(shí)特性不盡相同，所以需要根據(jù)(jù)所用光耦的用戶(hù)手冊(cè)來(lái)確定。
聯(lián)(lián)系方式：鄒先生
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