光耦的理解及应用技术文档经典

精品文档 1欢迎下载 光耦的理解及运用技术文档 光耦合器 optical coupler 英文缩写为 OC 亦称光电隔离器 简称光耦 光耦合器以光为媒介传输电信号 它对输入 输出电信 号有良好的隔离作用 所以 它在各种电路中得到广泛的应用 目 前它已成为种类最多 用途最广的光电器件之一 光耦合器一般由三部分组成 光的发射 光的接收及信号放大 输入的电信号驱动发光二极管 LED 使之发出一定波长的光 被 光探测器接收而产生光电流 再经过进一步放大后输出 这就完成 了电 光 电的转换 从而起到输入 输出 隔离的作用 由于光 耦合器输入输出间互相隔离 电信号传输具有单向性等特点 因而 具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力 又由于光耦合器的输入端属 于电流型工作的低阻元件 因而具有很强的共模抑制能力 所以 它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比 在计 算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件 可以大大增 加计算机工作的可靠性 1 1 光耦的工作原理 光耦的工作原理 以一个简单的图 图 1 说明光耦的工作 原边输入信号 Vin 施加到原边的发光二极管和 Ri 上产生光耦的输入电流 If If 驱动 发光二极管 使得副边的光敏三极管导通 回路 VCC RL 产生 Ic Ic 经过 RL 产生 Vout 达到传递信号的目的 原边副边直接的 驱动关联是 CTR 电流传输比 要满足 Ic If CTR 精品文档 2欢迎下载 图 1 光耦一般会有两个用途 线性光耦和逻辑光耦 如果理解 工作在开关状态的光耦副边三极管饱和导通 管压降 0 4V Vout 约等于 Vcc Vcc 0 4V 左右 Vout 大小只受 Vcc 大小 影响 Ic If CTR 此工作状态用于传递逻辑开关信号 工作在线性状态的光耦 Ic If CTR 副边三极管压降的大小等 于 Vcc Ic RL Vout Ic RL Vin 1 6V Ri CTR RL Vout 大小 直接与 Vin 成比例 一般用于反馈环路里面 1 6V 是粗略估计 实际要按器件资料 后续 1 6V 同 2 2 光耦的主要参数光耦的主要参数 精品文档 3欢迎下载 2 1 绝缘耐压 绝缘耐压指光耦保护相关电路及自身免受高压导致的物理损坏的 能力 光耦的损坏可能由于系统内的高压 比如电机轨电压 或者外来 高压 光耦的耐压能力主要由输入输出 IC 间的绝缘材料和封装的方法 决定 图 2 1 1 HCPL 181 绝缘耐压 精品文档 4欢迎下载 图 2 2 2 6N137 绝缘耐压 2 2 共模抑制比 CMR CMTR 指在每微妙光耦能允许的最大共模电压上升或下降率 这 个参数在工业应用中至关重要 比如电机启动和制动的过程中都会 带来极大的噪声 2 3 传输延时 图 2 3 1 6N137 传输延时 2 4 LED 驱动电流 IF 采用高效率的 LED 和高增益的接收放大电路可以降低驱动电流 IF 的需求 较小的 IF 可以降低系统功耗 并且降低 LED 的衰减 精品文档 5欢迎下载 提高系统长期可靠性 图 2 4 1 HCPL 181 的 LED 最大驱动电流 IF 图 2 4 2 6N137 的 LED 最大驱动电流 IF 2 5 选型 3 3 光耦的 光耦的 CTRCTR 概念概念 3 1 计算 举例分析 例如图 1 中的光耦电路 假设 Ri 1k Ro 1k 光耦 CTR 50 光耦导通时假设二极管压降为 1 6V 副边三极管饱 和导通压降 Vce 0 4V 输入信号 Vi 是 5V 的方波 输出 Vcc 是 3 3V Vout 能得到 3 3V 的方波吗 精品文档 6欢迎下载 If Vi 1 6V Ri 3 4mA 副边的电流限制 Ic CTR If 1 7mA 假设副边要饱和导通 那么需要 Ic 3 3V 0 4V 1k 2 9mA 大于电流通道限制 所以导通时 Ic 会被光耦限制到 1 7mA Vout Ro 1 7mA 1 7V 为什么得不到 3 3V 的方波 可以理解为图 1 光耦电路的电流 驱动能力小 只能驱动 1 7mA 的电流 所以光耦会增大副边三极管 的导通压降来限制副边的电流到 1 7mA 解决措施 增大 If 增大 CTR 减小 Ic 对应措施为 减小 Ri 阻值 更换大 CTR 光耦 增大 Ro 阻值 3 2 CTR 的影响 CTR 的大小受众多因素影响 这些因素之中既有导致 CTR 离散的 因素 不同光耦 又有与 CTR 有一致性的参数 壳温 If HCPL 181 图 2 1 1 精品文档 7欢迎下载 图 2 1 2 4 4 光耦的延时 光耦的延时 涉及到两个参数 光耦导通延时 tplh 和光耦关断延时 tphl 判 断可以通过的频率信号 5 5 光耦的运用 光耦的运用 光耦直接用于隔离传输模拟量时 要考虑光耦的非线性问题 光耦隔离传输数字量时 要考虑光耦的响应速度问题 如果输出有功率要求的话 考虑光耦的功率输出接口问题 5 1 解决光耦隔离非线性 如 a 图 输入特性可以用发光二极管的伏安特性来表示 b 图 输出端是光敏三极管 即 c 图伏安特性曲线 因为存在非线区 所 以传输模拟量情况会很差 1 利用二个相同非线性传输特性的光电耦合器 T1 和 T2 以 及 2 个电压跟随器 精品文档 8欢迎下载 图 4 1 2 2 VFC 方式 电压频率转换方式 现场变送器输出的模拟量 信号 电压信号 经过 VFC 将电压信号转换成脉冲序列 通过光耦 隔离后输出 在主机侧 通过一个频率电压转换还原成模拟信号 此时光耦隔离的是数字量 可以消除光耦的非线性影响 图 4 1 3 5 2 提高光耦的传输速度 由于光耦自身存在的分布电容 对传输速度造成影响 光敏三极 管内部存在着分布电容 Cbe 和 Cce 如下图 由于光耦的电流传输 比较低 其集电极负载电阻不能太小 否则输出电压的摆幅受到了 限制 但是负载电阻也不能太大 因为分布电容的存在 负载电阻 越大 其频率特性就会越差 传输延时就会越长 图 4 2 1 1 用 2 个光耦接成互补推挽式电路 可以提高光耦的开关速 度 如下图 精品文档 9欢迎下载 图 4 2 2 2 在光敏三极管的基极上增加正反馈电路 图 4 2 3 5 3 光耦的功率接口设计 对于响应速度要求不是很高的启停操作 采用继电器隔离来设计 对于响应速度要求很快的控制系统 采用光电耦合进行功