光耦選型最全指引及各種參數(shù)說明

1、光耦選型手冊(cè)光耦簡(jiǎn)介：光耦合器（opticalcoupler ,英文縮寫為0c亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱光 耦。它是以光為媒介來傳輸電信號(hào)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）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)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 “電一光一電”轉(zhuǎn)換。光耦合器一般由三部分組成：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。這就完成了電一光一電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。發(fā)光二極管光耦的分類：（1）光電

2、耦合器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關(guān)信號(hào)的傳輸，不適合于傳輸模擬量。常用的 4N系列光耦屬于非線性光耦。線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，弁且小信號(hào)時(shí)性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制。常用的線性光耦是PC817A - C系列。（2）常用的分類還有：按速度分，可分為低速光電耦合器（光敏三極管、光電池等輸出型）和高速光電耦合器（光敏二極管帶信號(hào)處理電路或者光敏集成電路輸出型）。按通道分，可分為單通道，雙通道和多通道光電耦合器。按隔離特性分，可分為普通隔離光電耦合器（一般光學(xué)膠灌封低于5000V，空封低于2000V）和高壓

3、隔離光電耦合器（可分為10kV, 20kV, 30kV等）。按輸出形式分，可分為：光敏器件輸出型，其中包括光敏二極管輸出型，光敏三極管輸出型，光電池輸出型，光可控硅輸出型等。NPN八極管輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型，互補(bǔ)輸出型等。達(dá)林頓三極管輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型。邏輯門電路輸出型，其中包括門電路輸出型，施密特觸發(fā)輸出型，三態(tài)門電路輸出型等。低導(dǎo)通輸出型（輸出低電平毫伏數(shù)量級(jí)）。光開關(guān)輸出型（導(dǎo)通電阻小于10Qg、功率輸出型（IGBT/MOSFET 等輸出）。光耦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：(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105106Q。據(jù)分壓

4、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(huì)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(hào)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(hào)線短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表。因?yàn)楣怦詈掀骷妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g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10 P s左右，適于對(duì)回應(yīng)速度要

5、 求很高的場(chǎng)合。光耦的相關(guān)參數(shù)：一、輸入特性：光耦合器的輸入特性實(shí)際也就是其內(nèi)部發(fā)光二極管的特性。常見的參數(shù)有：(1).正向工作電壓 Vf ( Forward Voltage )Vf是指在給定的工作電流下，LED本身的壓降。常見的小功率 LED通常以lf=20mA來測(cè)試正 向工作電壓，當(dāng)然不同的LED,測(cè)試條件和測(cè)試結(jié)果也會(huì)不一樣。(2 )反向電壓 Vr (Reverse Voltage )是指LED所能承受的最大反向電壓，超過此反向電壓，可能會(huì)損壞LED在使用交流脈沖驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，要特別注意不要超過反向電壓。(3) 反向電流 Ir (Reverse Current )通常指在最大反向電壓情況

6、下，流過LED的反向電流。(4)允許功耗 Pd (Maximum Power Dissipation )LED所能承受的最大功耗值。超過此功耗，可能會(huì)損壞LEDb(5 )中心波長(zhǎng) 入 p (Peak Wave Length )是指LED所發(fā)出光的中心波長(zhǎng)值。波長(zhǎng)直接決定光的顏色，對(duì)于雙色或多色LED,會(huì)有幾個(gè)不同的中心波長(zhǎng)值。(6)正向工作電流 If ( Forward Current )If是指LED正常發(fā)光時(shí)所流過的正向電流值。不同的LED,其允許流過的最大電流也會(huì)不一 樣。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)電流的需求。較小的If可以降低系統(tǒng)功耗，并降低LED的衰減，提高

7、系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性。如下圖 AVAGOt耦系列所示，HCPL-4701系列 可做到40uA的導(dǎo)通電流，大大降低系統(tǒng)功耗。詢歹U 1.6mA0.5 mAHCPL-47Q1 象歹fj 4G) iAGN135熄系列 mA 6N137條列S mAHCPU4503mAHCPL-261AHCPL450412 mAHCPU4506 10 mA(7)正向脈沖工作電流Ifp (Peak Forward Curre nt )Ifp是指流過LED的正向脈沖電流值。為保證壽命，通常會(huì)采用脈沖形式來驅(qū)動(dòng)LED,通常LED規(guī)格書中給中的Ifp是以0.1ms脈沖寬度，占空比為1/10的脈沖電流來計(jì)算的。二、輸出特性：光耦合器的

8、輸出特性實(shí)際也就是其內(nèi)部光敏三極管的特性，與普通的三極管類似。常見的參數(shù)有：(1) 集電極電流 lc (Collector Current ) 光敏三極管集電極所流過的電流，通常表示其最大值。(2)集電極-發(fā)射極電壓 Vceo( C-E Voltage ) 集電極-發(fā)射極所能承受的電壓。(3)發(fā)射極-集電極電壓 Veco ( E-C Voltage )發(fā)射極-集電極所能承受的電壓(4)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。(5) C-E 飽和電壓 Vce(sat) ( C-E Saturation Voltage )發(fā)光二極管工作

9、電流IF和集電極電流IC為規(guī)定值時(shí)，弁保持IC/IF CTRmi門時(shí)(CTRmin在被 測(cè)管技術(shù)條件中規(guī)定)集電極與發(fā)射極之間的電壓降。三、傳輸特性：電流傳輸比 CTR( Curre nt Tran sfer Radio )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上升時(shí)間 Tr ( Rise Time ) & 下降時(shí)間 Tf ( Fall Time )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)

10、間tf。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tPHLo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 o四、隔離特性：(1 )入出間隔離電壓 Vio (Isolation Voltage ) 光耦合器輸入端和輸出端之間絕緣耐壓值。(2 )入出間隔離電容 Cio (Isolation Capacitanee):光耦合器件輸入端和輸出端之間的電容值(3 )入出間隔離電阻 Rio :(Isolation Resista nee )半導(dǎo)體光耦合器輸入端和輸出端之間的絕緣電阻值。共模抑制

11、比CMTRCMTR盼亦每微秤尤隅能存祚的呆人扶投電”升戒向曙率，這個(gè)需敕在I業(yè)陶用叩奇關(guān)重妄，比如電機(jī)們劫和制幼的過秤叩都余帶來極大的捉模嗓聲.輸出島中平時(shí)共模抑制比U5 )CMI珅俞出低中一刊寸棋種制比（V/us）電用窗變瞬變脈沖帕值=|叫1 irjinhh-iiDAvago比耦便用陰瑣關(guān)犍授術(shù)去耦屏康膜和辿特的封裝設(shè)計(jì)，具有業(yè)舛鈾九日勺CMR性能-光耦合器的技術(shù)參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比 CTR輸入級(jí)與輸出級(jí)之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓 V （BR） CEO集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE （sat）。此外，在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)

12、間、延遲時(shí)間和 存儲(chǔ)時(shí)間 等參數(shù)。電流傳輸比是光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí)，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。使用光電耦合器主要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須遵循下列原則：所選用的光電耦合器件必須符合國(guó)內(nèi)和國(guó)際的有關(guān)隔離擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)；由英國(guó)埃索柯姆（Isocom）公司、美國(guó) FAIRCHILD 生產(chǎn)的4NXX系列（如 4N25、4N26、4N35 ） 光耦 合器，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用地十分普遍。可以用于單片機(jī)的輸出隔離；所選用的光耦器件必須具有較高的耦合系數(shù)。 光耦工作原理詳解以一個(gè)簡(jiǎn)單的圖（圖.1 ）說明光耦的工作：原

13、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lc,lc經(jīng)過RL產(chǎn)生Vout,達(dá)到傳遞信號(hào)的目的。原邊副邊直接的驅(qū)動(dòng)關(guān)聯(lián)是CTR （電流VlH oLfrk傳輸比），要滿足Ic If*CTR 。O VccJc-O VoiJT圖.1光耦一般會(huì)有兩個(gè)用途：線性光耦和邏輯光耦，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。止匕時(shí)lclf*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，lc=

14、lf*CTR ,副邊三極管壓降的大小等于Vcc-Ic*RLVout= 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)。兀叔涉曰IJL桿二悔曰電路國(guó)OVccX 二-O Volt前級(jí)電流電流限制條杵O77TIfXc 確造，二槽管副 邊電流通道大 小確定，實(shí)師的比不能丈于該通道飽和/ 開關(guān)狀態(tài)當(dāng)乩相俏大時(shí)CTP+If光導(dǎo)通時(shí)，Vout0 V當(dāng)肚陽值大時(shí)，Vcc傀昧It二極菅導(dǎo)通時(shí) 1 Vout0 V放大/線性狀態(tài)營(yíng) RJ且值 TAL Vcc/R. CIR+If 九光需副邊

15、會(huì)提高光fi三援菅的辱逋壓降限制實(shí)阪的“在電流通道內(nèi)(Ic =CTR+If)*光播導(dǎo)通時(shí)，Vout輸 +.*卜 上i Vi in絳中出年仝卜當(dāng)乩阻值中時(shí)Vcc/L f * lb此時(shí)，三 極管會(huì)提高菅壓降，限制宓際 的Ic在 電流通道內(nèi)(氐=八* bh三 極菅導(dǎo)通 時(shí)，Vout輸出犬小與Vin有線光耦CTR詳解概要：對(duì)于工作在開關(guān)狀態(tài)的光耦要保證光耦導(dǎo)通時(shí)CTR有一定余量；CTR受多個(gè)因素影響。一、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 o輸入信號(hào)

16、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 TOC o 1-5 h z 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(huì)被光耦限制到 1.7mA, Vout = Ro*1.7mA =1.7V所以副邊彳#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(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 o解決

17、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。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？Ic重新計(jì)算：If = （Vi -1.6V） /Ri = 17mA副邊電流限制w CTR*lf =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 w CTR說明光耦

18、能可靠導(dǎo) 通。一般會(huì)預(yù)留一 點(diǎn)余量（建議小于 CTR的90%。二、CTR受那些因素影響上一節(jié)說到設(shè)計(jì)時(shí)要保證一定CTR余量。就是因?yàn)镃TR的大小受眾多因素影響，這些因素之中既有導(dǎo)致CTR只離散的因素（不同光耦），又有與 CTR有一致性的參數(shù)（殼溫/If/壽命）。（1）光耦本身離散性：下圖是 2801不同批次光耦的 CTR手冊(cè)上一般給的都是lf=5mA時(shí)的值，可以看到不同 DATECOD的有差異，但 CTR直都在規(guī)格（130-260 ）范圍內(nèi)。Normal!- at TA =VCC = ized to 1J25 G IF.5 V VO 二=16 mA-04 V71 y-25025 5Q 7510

19、0/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)。因此計(jì)算開關(guān)光耦的導(dǎo)通時(shí)，要以下限進(jìn)行計(jì)算，弁且保證有余量。計(jì)算關(guān)斷時(shí)要以上限。（2）溫度影響：以8701為例Ta=25C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(huì)工作在（-575 C）下，此種情況下 CTR怎么確定？還是看 8701的手冊(cè)：有Ta-CTR關(guān)系圖: L6 1.4 1.2 1.0 0.B 0.6 0.4 0.2 0.0-50Ambient Temperature, T a ( C)-5度下的CTR是25度下的從圖中看出，以25度的為基準(zhǔn)，在其他條件不變的情況下,0.9倍左右，7

20、5度下最小與25度下的CTR持平。所以在 16mA/(-575 C)條件下，8701 的 CTR 最小值是 15%*0.9 = 13.5%(3)原邊電流IF影響某一批次的2801 CTR 值:I F (VCE=5V#1#2#3#4#5#6#71mA88.3%90.48%90.57%86.56%87.1%85.12%87.39%2mA133%130%130%125%135%122%126%3mA150%154%154%147%151%139%150%5mA177%187%183%177%178%170%177%IF不同，CTR不同，且差異非常大。此時(shí)CTR計(jì)算可參考(以8701為例)：假設(shè)如果實(shí)

21、際的If是3.4mA ,那么如何確定 CTR在lf=3.4mA / Ta=(-575 C )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(cè)試得到的If-CTR曲線，實(shí)際只需要一個(gè)樣品的曲線即可。) trHo imo6050403020100510500.5Forward Current. I f (mA)注：此圖容易理解為下限/典型/上限三個(gè)曲線，其實(shí)不然。大部分圖表曲線只是一個(gè)相對(duì)關(guān)系圖,不能圖中讀出絕對(duì)的參數(shù)值。計(jì)算：選用最上面一條樣品曲線，由圖中查出，If=16mA 時(shí) CTR 大概 28%在 If=3.4mA 時(shí) CTR 大概在 46%

22、 3.4mA 是 16mA 時(shí)的 46%/28% = 1.64 倍；所以，在 lf=3.4mA / (-575 C ) , CTR 下限為 13.5% * 1.64 = 22.2%(4) VCE的影響lc,lf,Vce關(guān)系曲線:10110519310410&lime (Hr)CTR值與工作時(shí)間，工作電流，工作溫度關(guān)系曲線由圖表可看出：工作時(shí)間越長(zhǎng)，CTR值越??；工作溫度越高，CTR值越??； 工作電流越大,CTR值越小；在設(shè)計(jì)選型時(shí)，在規(guī)格書規(guī)定的工作環(huán)境溫度下，為了保證產(chǎn)品足夠壽命，需 要選取 合適的工作電流。通過以上影響CTR的因素，離散性、溫度、If、VCE壽命，這幾個(gè)因數(shù)綜合起來，結(jié)合電

23、路設(shè)計(jì)的功耗，確定 If,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境確定溫度范圍，確定CTR值的下限。根據(jù)CTR值的下限及傳輸速率要求，確定原邊及副邊的負(fù)載電阻。光耦的傳輸特性前面介紹光耦的參數(shù)時(shí)介紹涉及傳輸特性的幾個(gè)參數(shù)，上升時(shí)間Tr ( Rise Time )&下降時(shí)間Tf( Fall Time )，傳輸延遲時(shí)間tPHL及tPLH。這幾個(gè)參數(shù)在不同光耦廠家的定義略有不同,但表征意義基本相同。由于光耦自身存在分布電容，對(duì)傳輸速度造成影響，光敏三極管存在分布電容Cbe。Ju ncttbetpacergckUgsidey由于CB間接電容的存在，造成輸入與輸出信號(hào)間有個(gè)延遲時(shí)間，部分光藕在使用中將B極與地間加個(gè)電阻來減少延

24、遲時(shí)間；設(shè)計(jì)，選型，替代注意：在設(shè)計(jì)選型時(shí)，要了解光耦在信號(hào)傳輸時(shí)，有時(shí)間的延遲問題，因此選型根據(jù)產(chǎn)品的工作頻率來選定不同傳輸速率的光耦，部分可通過調(diào)整電阻來改變頻率響應(yīng)；光耦的傳輸延時(shí)tPHL及tPLH :以8701為例*1 Test circjit for propagation delay timeo Vcc = 5V才# Rl = 2 2o Vc (Monitor)f CL = 16 pFCi is approximately 1 5 pF Ahich includes probe and stra wiring capacitancePirflpggatiM Del 町 Time-W

25、-I16mA= V.RL = 2 2kH.C. u 15 pF0508Propagation Delay Time fL t0.612涉及到兩個(gè)參數(shù)：光耦導(dǎo)通延時(shí)tphl和光耦關(guān)斷延時(shí)tplh，以8701為例：在lf=16mA/lc=2mA 時(shí)候,8701傳遞500k以上的開關(guān)信號(hào)就需要不能滿導(dǎo)通延時(shí)最大1.2uS,關(guān)斷延時(shí)最大0.8uS。所以用F圖是一個(gè)實(shí)測(cè)的延時(shí)波形（ch4原邊（紅），ch2副邊（綠）BW Unit V? rni? r IProb*QMnnd 1 M? nu* CmcM 呻 I對(duì)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O足。（1）受溫度影響 8701的Ta-lf特征曲線：溫度升高，開關(guān)延時(shí)都會(huì)增大。NORMALIZED PROPAGATION DELAYTIME vs. AMBIENT TEMPERATURED PQZTOLUAmbient Temperature, T a ( C)(2)受原邊If大小影響8701的tp-lf特征曲線：If增大，導(dǎo)通延時(shí)減小，關(guān)斷延時(shí)增大。PROPAGATION DELAY TIMEFORWARD CURR