光耦的理解及應(yīng)用技術(shù)文檔經(jīng)典

1、光耦的理解及運(yùn)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(jiǎn)稱光耦。光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)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三局部組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管LED，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)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(hào)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。又由于光耦合器的輸入端屬于電

2、流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。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)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。1、光耦的工作原理以一個(gè)簡(jiǎn)單的圖圖.1說明光耦的工作：原邊輸入信號(hào)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(dòng)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，到達(dá)傳遞信號(hào)的目的。原邊副邊直接的驅(qū)動(dòng)關(guān)聯(lián)是CTR電流傳輸比，要滿足IcIf*CTR。圖1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？工作在開關(guān)狀態(tài)的光耦副邊三極管飽和導(dǎo)通

3、，管壓降<0.4V，Vout約等于VccVcc-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(hào)。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，一般用于反應(yīng)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)。2、 光耦的主要參數(shù)2.1、絕緣耐壓絕緣耐壓指光耦保護(hù)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)的高壓比方電機(jī)軌電壓或者外來高壓。光耦的耐壓能

4、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(gè)參數(shù)在工業(yè)應(yīng)用中至關(guān)重要，比方電機(jī)啟動(dòng)和制動(dòng)的過程中都會(huì)帶來極大的噪聲。2.3、傳輸延時(shí)圖2.3.1 6N137傳輸延時(shí)2.4、LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)期可靠性。圖2.4.1 HCPL-181的LED最大驅(qū)動(dòng)電流IF圖2.4.2 6N137的LED最大驅(qū)動(dòng)電流IF2.5、選

5、型3、光耦的CTR概念3.1、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(hào)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(shí)，Ic會(huì)被光耦限制到1.7mA，Vout = Ro*1.7mA = 1.7V為什么得不到3.3V 的方波，可

6、以理解為圖.1 光耦電路的電流驅(qū)動(dòng)能力小，只能驅(qū)動(dòng)1.7mA 的電流，所以光耦會(huì)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(duì)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2.1.1 圖2.1.24、光耦的延時(shí)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。判斷可以通過的頻率信號(hào)；5、光耦的運(yùn)用、光耦直接用于隔離傳輸模擬量時(shí)，要考慮光耦的非線性問題；、光耦隔離傳輸數(shù)字

7、量時(shí)，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?yàn)榇嬖诜蔷€區(qū)，所以傳輸模擬量情況會(huì)很差；1利用二個(gè)相同非線性傳輸特性的光電耦合器，T1和T2，以及2個(gè)電壓跟隨器，圖4.1.2（2） VFC方式電壓頻率轉(zhuǎn)換方式，現(xiàn)場(chǎng)變送器輸出的模擬量信號(hào)電壓信號(hào)，經(jīng)過VFC將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖序列，通過光耦隔離后輸出。在主機(jī)側(cè)，通過一個(gè)頻率電壓轉(zhuǎn)換復(fù)原成模擬信號(hào)。此時(shí)光耦隔離的是數(shù)字量，可以消除光耦的非線性影響。圖4.1.35.2、提高光耦的傳輸速度由于光耦自身存在的分布電容，對(duì)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，如下列圖，由于光耦的電流傳輸比擬低，其集電極負(fù)載電阻不能太小，否那么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?yàn)榉植茧娙莸拇嬖冢?fù)載電阻越大，其頻率特性就會(huì)越差，傳輸延時(shí)就會(huì)越長(zhǎng)。圖4.2.11用2個(gè)光耦接成互補(bǔ)推挽式電路，可以提高光耦的開關(guān)速度，如下列圖圖4.2.2（2） 在光敏三極管的基極上增加正反應(yīng)電路；圖4.2.3