光耦的理解及應(yīng)用技術(shù)文檔

1、光耦的理解及運用技術(shù)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(yīng)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(jìn)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(dǎo)通，回路VCC、RL產(chǎn)生Ic，Ic經(jīng)過RL產(chǎn)生Vout，達(dá)到傳遞信號的目的。原邊副邊直接的驅(qū)動關(guān)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(guān)狀態(tài)的光耦副

3、邊三極管飽和導(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。Ic<If*CTR，此工作狀態(tài)用于傳遞邏輯開關(guān)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(guān)電路及自身免受高壓導(dǎo)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(yīng)用中至關(guān)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(shè) Ri = 1k，Ro = 1k，光耦CTR= 50%，光耦導(dǎo)通時假設(shè)二極管壓降為1.6V，副邊三極管飽和導(dǎo)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(shè)副邊要飽和導(dǎo)通，那么需要Ic= (3.3V0.4V)/1k = 2.9mA，大于電流通道限制，所以導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)通延時tplh 和光耦關(guān)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(yīng)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(fù)載電阻不能太小，否則輸出電壓的擺幅受到了限制。但是負(fù)載電阻也不能太大，因為分布電容的存在，負(fù)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(guān)速度，如下圖圖（2） 在光敏三極管的基極上增加正反饋電路