光耦的理解及應用技術文檔

1、光耦的理解及運用技術文檔光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、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)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(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，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入

2、端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。1、光耦的工作原理以一個簡單的圖（圖.1）說明光耦的工作：原邊輸入信號Vin，施加到原邊的發(fā)光二極管和Ri 上產(chǎn)生光耦的輸入電流If，If驅(qū)動發(fā)光二極管，使得副邊的光敏三極管導通，回路VCC、RL產(chǎn)生Ic，Ic經(jīng)過RL產(chǎn)生Vout，達到傳遞信號的目的。原邊副邊直接的驅(qū)動關聯(lián)是CTR（電流傳輸比），要滿足IcIf*CTR。圖1光耦一般會有兩個用途：線性光耦和邏輯光耦，如果理解？工作在開關狀態(tài)的光耦副

3、邊三極管飽和導通，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。Ic<If*CTR，此工作狀態(tài)用于傳遞邏輯開關信號。工作在線性狀態(tài)的光耦，Ic=If*CTR，副邊三極管壓降的大小等于Vcc-Ic*RL，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)路里面 (1.6V 是粗略估計，實際要按器件資料，后續(xù)1.6V同)。2、 光耦的主要參數(shù)2.1、絕緣耐壓絕緣耐壓指光耦保護相關電路及自身免受高壓導致的物理損壞的能力。光耦的損壞可能由于系統(tǒng)內(nèi)的高壓（比如電機軌電壓）或

4、者外來高壓。光耦的耐壓能力主要由輸入輸出IC間的絕緣材料和封裝的方法決定。圖2.1.1 HCPL-181絕緣耐壓圖2.2.2 6N137絕緣耐壓2.2、共模抑制比CMRCMTR指在每微妙光耦能允許的最大共模電壓上升或下降率，這個參數(shù)在工業(yè)應用中至關重要，比如電機啟動和制動的過程中都會帶來極大的噪聲。2.3、傳輸延時圖2.3.1 6N137傳輸延時2.4、LED驅(qū)動電流IF采用高效率的LED和高增益的接收放大電路可以降低驅(qū)動電流IF的需求，較小的IF可以降低系統(tǒng)功耗，并且降低LED的衰減，提高系統(tǒng)長期可靠性。圖2.4.1 HCPL-181的LED最大驅(qū)動電流IF圖2.4.2 6N137的LED最

5、大驅(qū)動電流IF2.5、選型3、光耦的CTR概念3.1、計算舉例分析，例如圖.1中的光耦電路，假設 Ri = 1k，Ro = 1k，光耦CTR= 50%，光耦導通時假設二極管壓降為1.6V，副邊三極管飽和導通壓降Vce=0.4V。輸入信號Vi是5V的方波，輸出Vcc是3.3V。Vout能得到3.3V 的方波嗎？If = (Vi-1.6V)/Ri = 3.4mA副邊的電流限制：IcCTR*If = 1.7mA假設副邊要飽和導通，那么需要Ic= (3.3V0.4V)/1k = 2.9mA，大于電流通道限制，所以導通時，Ic會被光耦限制到1.7mA，Vout = Ro*1.7mA = 1.7V為什么得

6、不到3.3V 的方波，可以理解為圖.1 光耦電路的電流驅(qū)動能力小，只能驅(qū)動1.7mA 的電流，所以光耦會增大副邊三極管的導通壓降來限制副邊的電流到1.7mA。解決措施：增大If；增大CTR；減小Ic。對應措施為：減小Ri 阻值；更換大CTR光耦；增大Ro 阻值。3.2、CTR的影響CTR的大小受眾多因素影響，這些因素之中既有導致CTR離散的因素（不同光耦），又有與CTR有一致性的參數(shù)（殼溫/If）。（HCPL-181）圖圖4、光耦的延時涉及到兩個參數(shù)：光耦導通延時tplh 和光耦關斷延時tphl。判斷可以通過的頻率信號；5、光耦的運用、光耦直接用于隔離傳輸模擬量時，要考慮光耦的非線性問題；、光

7、耦隔離傳輸數(shù)字量時，要考慮光耦的響應速度問題；、如果輸出有功率要求的話，考慮光耦的功率輸出接口問題；5.1、解決光耦隔離非線性如a圖，輸入特性可以用發(fā)光二極管的伏安特性來表示（b圖）；輸出端是光敏三極管（即c圖伏安特性曲線），因為存在非線區(qū)，所以傳輸模擬量情況會很差；（1）利用二個相同非線性傳輸特性的光電耦合器，T1和T2，以及2個電壓跟隨器，圖（2） VFC方式（電壓頻率轉(zhuǎn)換方式），現(xiàn)場變送器輸出的模擬量信號（電壓信號），經(jīng)過VFC將電壓信號轉(zhuǎn)換成脈沖序列，通過光耦隔離后輸出。在主機側(cè)，通過一個頻率電壓轉(zhuǎn)換還原成模擬信號。此時光耦隔離的是數(shù)字量，可以消除光耦的非線性影響。圖5.2、提高光耦的傳輸速度由于光耦自身存在的分布電容，對傳輸速度造成影響，光敏三極管內(nèi)部存在著分布電容Cbe和Cce，如下圖，由于光耦的電流傳輸比較低，其集電極負載電阻不能太小，否則輸出電壓的擺幅受到了限制。但是負載電阻也不能太大，因為分布電容的存在，負載電阻越大，其頻率特性就會越差，傳輸延時就會越長。圖（1）用2個光耦接成互補推挽式電路，可以提高光耦的開關速度，如下圖圖（2） 在光敏三極管的基極上增加正反饋電路