光耦選型

1 、簡述
光電耦合器（英文：optical coupler 或photo coupler），亦稱光耦合器、光隔離器以及光電隔離器，簡稱光耦。這種器件的想法是在1963由Akmenkalns等人提出（美國專利號：US
patent 3,417,249），并且以光敏電阻為基礎(chǔ)的光電耦合元件在1968年問世。它是以光（含可見光、紅外線等）作為媒介來傳輸電信號的一組裝置，其功能是平時(shí)讓輸入電路及輸出電路之間隔離，在需要時(shí)可以使電信號通過隔離層的傳送方式。這樣就使得光信號（發(fā)射端）和電信號（接收端）互不干擾，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。目前常見的各類光電耦合器的實(shí)物圖如下：


（圖1：常見的各種光耦）
2 、原理及構(gòu)造
如下圖（2）所示，光電耦合器一般由三部分組成：光電發(fā)射端、光電接收端、輸出端信號放大及整形及驅(qū)動(dòng)變換電路單元。其基本作用原理是：輸入的電信號驅(qū)動(dòng)光發(fā)射源（各種波長的LED發(fā)光二極管或激光，還有早期使用的電燈泡、霓虹燈等），使之發(fā)光，而物理空間隔離的另外一端由光探測器（光敏電阻、光芒二極管、光敏三極管等）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。值得一提的是：圖(2)中最下面的那種光耦結(jié)構(gòu)，由于發(fā)射端和接收端空間距離較遠(yuǎn)，相比上面那種結(jié)構(gòu)光耦，具有更高的爬電距離或隔離電壓等級。

3、分類&特性
根據(jù)光電耦合器件輸出端的不同電路結(jié)構(gòu)和特性，大致可分類如下幾種：
3-1. 晶體管輸出型光耦
這是最常見的光耦，輸入端分為直流信號或交流信號控制型，輸出端都是晶體管（單體或達(dá)林頓---具有更高的電流傳輸比）。這種類型的光耦憑借其價(jià)格低和通用性特點(diǎn)廣泛使用于各種應(yīng)用。晶體管輸出光耦的特點(diǎn)是：大電流傳輸比（CTR）、高耐壓、低輸入電流。因?yàn)檫@類光耦，光電接收器使用的是光敏三極管，所以缺點(diǎn)也是明顯的：傳輸速度較慢，時(shí)序延時(shí)較大。







3-2. 高速IC輸出型光耦
這種光耦采用光敏二極管(Photo-Diode)作為光接收元件，同時(shí)內(nèi)部帶有一個(gè)集成電路（IC）做信號放大和整形，可實(shí)現(xiàn)高速信號的傳輸。相比于前面晶體管輸出光耦只能提供最高幾kHz的信號傳輸，此類光耦能提供1至50Mbps速率的數(shù)據(jù)傳輸。IC輸出光耦有兩種類型：一種是設(shè)計(jì)用于傳輸邏輯信號的通用器件，另一種是具有特殊功能的器件，包括用于功率元件，比如IGBT等的柵極驅(qū)動(dòng)器。





3-3.
線性輸出型光耦
這種線性模擬光電耦合器內(nèi)含一個(gè)高性能 AlGaAs LED和兩個(gè)高度匹配的光敏二極管(Photo-Diode)。輸入光二極管可以用來監(jiān)測并穩(wěn)定 LED 的光度輸出，因此 LED 的非線性和漂移特性幾乎被消除，輸出光二極管會產(chǎn)生線性對應(yīng) LED 光輸出的光電流，光二極管間的緊密匹配和先進(jìn)的封裝設(shè)計(jì)可以確保光電耦合器的高線性度和穩(wěn)定增益。



上圖是立創(chuàng)商城上HCNR200 (商品編號：C23785)的特性曲線(可見線性度是很高的)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它特別適用于可以用來提供需要良好穩(wěn)定性、線性度、帶寬和低成本等各種廣泛應(yīng)用的模擬信號隔離。
3-4. 可控硅輸出型光耦
這種可控硅光耦，既有雙向可控硅輸出，也有單向可控硅輸出。該類型的光耦主要用于控制交流負(fù)載，比如直接連接到家庭、辦公室和工廠中采用100或200Vrms商業(yè)電源的電機(jī)和電磁閥。它們采用了高耐壓型可控硅，可以打開和關(guān)閉輸入電流低至10mA的交流負(fù)載，同時(shí)提供電氣隔離。雖然單一的可控硅光耦只能控制最高100mA左右的交流電，但它可以結(jié)合使用一個(gè)功率可控硅，以便控制高達(dá)幾安培的交流電。


3-5. 光繼電器
這種光繼電器是指含有一個(gè)MOSFET光耦合LED的光耦。光繼電器相比機(jī)械繼電器而言具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如更長的使用壽命、低電流驅(qū)動(dòng)和快速響應(yīng)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體測試系統(tǒng)、安保系統(tǒng)等的接觸開關(guān)。



4 、主要技術(shù)參數(shù)
1、反向電流IR：在被測管兩端加規(guī)定反向工作電壓VR時(shí)，二極管中流過的電流。
2、反向擊穿電壓VBR：被測管通過的反向電流IR為規(guī)定值時(shí)，在兩極間所產(chǎn)生的電壓降。
3、正向壓降VF：二極管通過的正向電流為規(guī)定值時(shí)，正負(fù)極之間所產(chǎn)生的電壓降。
4、正向電流IF：在被測管兩端加一定的正向電壓時(shí)二極管中流過的電流。設(shè)計(jì)者需要確保LED電流至少等于數(shù)據(jù)表中規(guī)定的觸發(fā)LED電流（最大值）。而且，這個(gè)電流還根據(jù)溫度變化而變化，因此也需要考慮使用的溫度范圍。
5、反向擊穿電壓V（BR）CEO：發(fā)光二極管開路，集電極電流IC為規(guī)定值，集電極與發(fā)射集間的電壓降。
6、輸出飽和壓降VCE（sat）：發(fā)光二極管工作電流IF和集電極電流IC為規(guī)定值時(shí)，并保持IC/IF≤CTRmin時(shí)（CTRmin在被測管技術(shù)條件中規(guī)定）集電極與發(fā)射極之間的電壓降。
7、反向截止電流ICEO：發(fā)光二極管開路，集電極至發(fā)射極間的電壓為規(guī)定值時(shí)，流過集電極的電流為反向截止電流。
8、電流傳輸比CTR：輸出管的工作電壓為規(guī)定值時(shí)，輸出電流和發(fā)光二極管正向電流之比為電流傳輸比CTR。

9、脈沖上升時(shí)間tr，下降時(shí)間tf：光耦合器在規(guī)定工作條件下，發(fā)光二極管輸入規(guī)定電流IFP的脈沖波，輸出端管則輸出相應(yīng)的脈沖波，從輸出脈沖前沿幅度的10%到90%，所需時(shí)間為脈沖上升時(shí)間tr。從輸出脈沖后沿幅度的90%到10%，所需時(shí)間為脈沖下降時(shí)間tf。
10、傳輸延遲時(shí)間tPHL，tPLH：從輸入脈沖前沿幅度的50%到輸出脈沖電平下降到1.5V時(shí)所需時(shí)間為傳輸延遲時(shí)間tPHL。從輸入脈沖后沿幅度的50%到輸出脈沖電平上升到1.5V時(shí)所需時(shí)間為傳輸延遲時(shí)間tPLH。
11、入出間隔離電容CIO：光耦合器件輸入端和輸出端之間的電容值。
12、入出間隔離電阻RIO：半導(dǎo)體光耦合器輸入端和輸出端之間的絕緣電阻值。
13、入出間隔離電壓VIO：光耦合器輸入端和輸出端之間絕緣耐壓值。
5 、光耦合器的選型
在設(shè)計(jì)光耦光電隔離電路時(shí)，必須正確選擇光耦合器的型號及參數(shù)，選取原則如下：
（1）根據(jù)功能的需要，選擇不同的光耦類型，比如：如果是數(shù)據(jù)通信用，那應(yīng)該用高
高速IC輸出型光耦；而控制大電流的繼電器或燈泡，應(yīng)該用光繼電器 或可控硅繼電器。
（2）由于光電耦合器為信號單向傳輸器件，而電路中數(shù)據(jù)的傳輸是雙向的，電路板的尺寸要求一定，結(jié)合電路設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，就要選擇單芯片集成多路光耦的器件；
（3）光耦合器的電流傳輸比（CTR）的允許范圍是不小于500%。因?yàn)楫?dāng)CTR5.0 mA），才能保證信號在長線傳輸中不發(fā)生錯(cuò)誤，這會增大光耦的功耗；
（4）光電耦合器的傳輸速度也是選取光耦必須遵循的原則之一，光耦開關(guān)速度過慢，無法對輸入電平做出正確反應(yīng)，會影響電路的正常工作；
（5）線性光耦。其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。設(shè)計(jì)中由于電路輸入輸出均是一種高低電平信號，故此，電路工作在非線性狀態(tài)。而在線性應(yīng)用中，因?yàn)樾盘柌皇д娴膫鬏�，所以，�?yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)工作的要求，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路工作在線性狀態(tài)。
線性光耦
常用的線性光耦是PC817A—C系列。
高速光耦高速光耦的結(jié)構(gòu)是光敏二極管+放大驅(qū)動(dòng)電路，普通光耦的結(jié)構(gòu)是光敏三極管（+放大驅(qū)動(dòng)電路）。光敏二極管的響應(yīng)速度（上升下降時(shí)間）是納秒級，光敏三極管的響應(yīng)速度（上升下降時(shí)間）是微秒級
100Kbit/S：
　　6N138、6N139、PS8703
1Mbit/S：
　　6N135、6N136、CNW135、CNW136、PS8601、PS8602、PS8701、PS9613、PS9713、CNW4502、HCPL-2503、HCPL-4502、HCPL-2530（雙路）、HCPL-2531（雙路）
10Mbit/S：
　　6N137、PS9614、PS9714、PS9611、PS9715、HCPL-2601、HCPL-2611、HCPL-2630（雙路）、HCPL－2631（雙路）
光耦常用于電路隔離
光電耦合器之所以在傳輸信號的同時(shí)能有效地抑制尖脈沖和各種雜訊干擾，使通
道上的信號雜訊比大為提高，主要有以下幾方面的原因：
（1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常
為 105～106Ω。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦
合器輸入端的雜訊電壓會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而
不能使二極體發(fā)光，從而被抑制掉了。
（2）光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；之間
的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過
光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。
（3）光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至
輸入信號線短接時(shí)，也不會損壞儀表。因?yàn)楣怦詈掀骷�的輸入回路和輸出回路�?br /> 間可以承受幾千伏的高壓。
（4）光電耦合器的回應(yīng)速度極快，其回應(yīng)延遲時(shí)間只有 10μs 左右，適于對回
應(yīng)速度要求很高的場合。
注意事項(xiàng)
（1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)立的電源，若兩端共
用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。
（2）當(dāng)用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時(shí)，必須對所有的信號（包括數(shù)位量
信號、控制量信號、狀態(tài)信號）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的
聯(lián)系，否則這種隔離是沒有意義的
當(dāng)然，一般應(yīng)用，多種類型光耦都可能符合要求，這種情況下我們肯定選價(jià)格低的。