光耦,光耦參數(shù)

光耦解釋

它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管，光敏電阻）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長、無觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。

光耦的工作原理

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(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。

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(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大提高計(jì)算機(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)的共模抑制能力。

光耦參數(shù)知識理解

（一）理解光耦

光耦是隔離傳輸器件，原邊給定信號，副邊回路就會輸出經(jīng)過隔離的信號。對于光耦的隔離容易理解，此處不做討論。

以一個(gè)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 Ic≤If*CTR。

光耦一般會有兩個(gè)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。此時(shí)Ic

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*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)路里面 (1.6V是粗略估計(jì)，實(shí)際要按器件資料，后續(xù) 1.6V 同) 。

對于光耦開關(guān)和線性狀態(tài)可以類比為普通三極管的飽和放大兩個(gè)狀態(tài)。

所以通過分析實(shí)際的電路，除去隔離因素，用分析三極管的方法來分析光耦是一個(gè)很有效的方法。此方法對于后續(xù)分析光耦的CTR參數(shù)，還有延遲參數(shù)都有助于理解。

（二）光耦  CTR

1、光耦能否可靠導(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)Ri=1k,Ro=1k,光耦 CTR=50%，光耦導(dǎo)通時(shí)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？

我們來算算：If=(Vi-1.6V)/Ri=3.4mA

副邊的電流限制：Ic’≤ CTR*If = 1.7mA

假設(shè)副邊要飽和導(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)通時(shí)，Ic 會被光耦限制到 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)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。

將上述參數(shù)稍加優(yōu)化，假設(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)大于副邊飽和導(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。

開關(guān)狀態(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)做比較，如果 Ic/If ≤CTR，說明光耦能可靠導(dǎo)通。一般會預(yù)留一點(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%)

說明8701這個(gè)型號的光耦，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%以內(nèi)。 計(jì)算導(dǎo)通時(shí)，要以下限進(jìn)行計(jì)算，并且保證有余量。計(jì)算關(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)品里面溫度范圍比較大，比如光耦會工作在（-5~75℃）下，此種情況下 CTR 怎么確定？還是看 8701 的手冊：有 Ta-CTR 關(guān)系圖：

從圖中看出以25度的為基準(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)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)樣品做測試得到的If-CTR曲線，實(shí)際只需要一個(gè)樣品的曲線即可。

（三）光耦延時(shí)

上述CTR影響到信號能不能傳過去的問題，類似于直流特性。下面主要分析光耦的延時(shí)特性，即光耦能傳送多快信號。

涉及到兩個(gè)參數(shù)：光耦導(dǎo)通延時(shí)tplh和光耦關(guān)斷延時(shí)tphl，以8701為例 ：在If=16mA/Ic=2mA時(shí)候，關(guān)斷延時(shí)最大0.8uS，導(dǎo)通延時(shí)最大1.2uS。所以用 8701 傳遞 500k以上的開關(guān)信號就需要不能滿足。

下圖是一個(gè)實(shí)測的延時(shí)波形（ch4原邊（紅），ch2副邊（綠））

對于tp參數(shù)的設(shè)計(jì)更應(yīng)該考慮余量，因?yàn)閠p參數(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，開關(guān)延時(shí)都會增大。

2) 受原邊If大小影響

8701的tp-If特征曲線：If增大，關(guān)斷延時(shí)減小，開通延時(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)通延時(shí)增大明顯

針對具體電路的特點(diǎn)，計(jì)算最大延時(shí)時(shí)也是采用與 CTR 一樣的方法，通過器件資料給定特定環(huán)境下的準(zhǔn)確范圍，然后逐一通過三個(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)所用光耦的用戶手冊來確定。

光耦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

光耦的主要特點(diǎn)如下：

1.輸入和輸出端之間絕緣，其絕緣電阻一般都大于10000MΩ，耐壓一般可超過1kV，有的甚至可以達(dá)到10kV以上。

2.由于光接收器只能接受光源的信息，反之不能，所以信號從光源單向傳輸?shù)焦饨邮掌鲿r(shí)不會出現(xiàn)反饋現(xiàn)象，其輸出信號也不會影響輸入端。

3.由于發(fā)光器件（砷化鎵紅外二極管）是阻抗電流驅(qū)動性器件，而噪音是一種高內(nèi)阻微電流電壓信號。因此光電耦合器件的共模抑制比很大，所以，光電耦合器件可以很好地抑制干擾并消除噪音。

4.容易和邏輯電路配合。

5.響應(yīng)速度快。光電耦合器件的時(shí)間常數(shù)通常在毫秒甚至微秒級。

6.無觸點(diǎn)、壽命長、體積小、耐沖擊。

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