光耦的理解及应用技术文档经典.docx

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光耦的理解及应用技术文档经典

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光耦的理解及运用技术文档

光耦合器（opticalcoupler，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、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。

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

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、光耦的主要参数

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

图

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

2.4、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，提高系统长期可靠性。

图

图

2.5、选型

3、光耦的CTR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？

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

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4、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、光耦的运用

①、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；

②、光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题；

③、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，

图

（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

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

（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

图

（2）在光敏三极管的基极上增加正反馈电路；

图

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率设计；继电器的响应延迟时间需10ms，而光电耦合器的延迟时间在10us以内；

（1）加三极管放大驱动

图