光耦的选型与应用.docx

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光耦的选型与应用

[2008-2-38:

54:

00|By:

SystemARM]

推荐

光耦全称是光耦合器，英文名字是：

opticalcoupler，英文缩写为OC，亦称光电隔离器，简称光耦。

光耦的结构是什么样的？

光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离，光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏（三极）管封装在一起。

为什么要使用光耦？

发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离干扰的作用。

光耦爱坏吗？

只要光耦合器质量好，电路参数设计合理，一般故障少见。

如果系统中出现异常，使输入、输出两侧的电位差超过光耦合器所能承受的电压，就会使之被击穿损坏。

光耦的参数都有哪些？

是什么含义？

1、CTR：

电流传输比

2、IsolationVoltage：

隔离电压

3、Collector-EmitterVoltage：

集电极－发射极电压

CTR：

发光管的电流和光敏三极管的电流比的最小值

隔离电压：

发光管和光敏三极管的隔离电压的最小值

集电极－发射极电压：

集电极－发射极之间的耐压值的最小值

光耦什么时候导通？

什么时候截至？

关于TLP521-1的光耦的导通的试验报告

要求：

3.5v～24v认为是高电平，0v～1.5v认为是低电平

思路：

1、0v～1.5v认为是低电平，利用串接一个二极管1N4001的压降0.7V+光耦的LED的压降，吃掉1.4V左右；

2、24V是最高电压，不能在最高电压的时候，光耦通过的电流太大；所以选用2K的电阻；光耦工作在大概10mA的电流，可以保证稳定可靠工作n年以上；

3、3.5V以上是高电平，为了尽快进入光敏三极管的饱和区，要把光耦的光敏三极管的上拉电阻加大；因此选用10K；同时要考虑到ctr最小为50％；

电路：

1、发光管端：

实验室电源（0～24V）->2K->1N4001->TLP521-1

（1）->TLP521-1

（2）-gnd1

2、光敏三极管：

实验室电源（DC5V）->10K->TLP521-1（4）->TLP521-1（3）-gnd2

3、万用表

直流电压挡20V

万用表+ ->TLP521-1（4）

万用表- ->TLP521-1（3）

试验结果

输入电源万用表电压（V）

1.3V 5

1.5V 4.8

1.7V 4.41

1.9V 3.58

2.1V 2.94

2.3V 1.8

2.5V 0.58

2.7V 0.2

2.9V 0.19

3.1V 0.17

3.3V 0.16

3.5V 0.16

5V 0.13

24V 0.06

思考题：

光耦的CTR（电流传输比）是什么含义？

思考题：

1、光耦的CTR（电流传输比）是什么含义？

2、CTR与上拉电阻和光耦的光敏三极管之间与饱和导通或者截至之间的关系；

参考资料：

TLP521-1的CTR为50％（最小值）；

TLP521-1的长相

线性光耦原理与电路设计【转】

线性光耦原理与电路设计

来源：

21IC中国电子网作者：

佚名

1.线形光耦介绍

光隔离是一种很常用的信号隔离形式。

常用光耦器件及其外围电路组成。

由于光耦电路简单,在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到,如UART协议的20mA电流环。

对于模拟信号,光耦因为输入输出的线形较差,并且随温度变化较大,限制了其在模拟信号隔离的应用。

对于高频交流模拟信号,变压器隔离是最常见的选择,但对于支流信号却不适用。

一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案,如ADI的AD202,能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度,但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换,对产生的交流信号进行变压器隔离,然后进行频率-电压转换得到隔离效果。

集成的隔离放大器内部电路复杂,体积大,成本高,不适合大规模应用。

模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。

线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。

这样,虽然两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电路的非线性特性都是一样的,这样,就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。

市场上的线性光耦有几中可选择的芯片,如Agilent公司的HCNR200/201,TI子公司TOAS的TIL300,CLARE的LOC111等。

这里以HCNR200/201为例介绍

2.芯片介绍与原理说明

HCNR200/201的内部框图如下所示

其中1、2引作为隔离信号的输入,3、4引脚用于反馈,5、6引脚用于输出。

1、2引脚之间的电流记作IF,3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。

输入信号经过电压-电流转化,电压的变化体现在电流IF上,IPD1和IPD2基本与IF成线性关系,线性系数分别记为K1和K2,即

K1与K2一般很小（HCNR200是0.50%）,并且随温度变化较大（HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间）,但芯片的设计使得K1和K2相等。

在后面可以看到,在合理的外围电路设计中,真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。

HCNR200和HCNR201的内部结构完全相同,差别在于一些指标上。

相对于HCNR200,HCNR201提供更高的线性度。

采用HCNR200/201进行隔离的一些指标如下所示：

*线性度：

HCNR200：

0.25%,HCNR201：

0.05%;

*线性系数K3：

HCNR200：

15%,HCNR201：

5%;

*温度系数：

-65ppm/oC;

*隔离电压：

1414V;

*信号带宽：

直流到大于1MHz。

从上面可以看出,和普通光耦一样,线性光耦真正隔离的是电流,要想真正隔离电压,需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助电路。

下面对HCNR200/201的典型电路进行分析,对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。

3.典型电路分析

Agilent公司的HCNR200/201的手册上给出了多种实用电路,其中较为典型的一种如下图所示：

图2

设输入端电压为Vin,输出端电压为Vout,光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2,显然,,和之间的关系取决于和之间的关系。

将前级运放的电路提出来看,如下图所示：

设运放负端的电压为,运放输出端的电压为,在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系：

Vo=Voo-GVi

（1）

其中是在运放输入差模为0时的输出电压,G为运放的增益,一般比较大。

忽略运放负端的输入电流,可以认为通过R1的电流为IP1,根据R1的欧姆定律得：

通过R3两端的电流为IF,根据欧姆定律得：

其中,为光耦2脚的电压,考虑到LED导通时的电压（）基本不变,这里的作为常数对待。

根据光耦的特性,即

K1=IP1/IF （4）

将和的表达式代入上式,可得：

上式经变形可得到：

将的表达式代入（3）式可得：

考虑到G特别大,则可以做以下近似：

这样,输出与输入电压的关系如下：

可见,在上述电路中,输出和输入成正比,并且比例系数只由K3和R1、R2确定。

一般选R1=R2,达到只隔离不放大的目的。

4.辅助电路与参数确定

上面的推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内的,要想做到这一点需要对运放进行合理选型,并且确定电阻的阻值。

4.1运放选型

运放可以是单电源供电或正负电源供电,上面给出的是单电源供电的例子。

为了能使输入范围能够从0到VCC,需要运放能够满摆幅工作,另外,运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。

TI公司的LMV321单运放电路能够满足以上要求,可以作为HCNR200/201的外围电路。

4.2阻值确定

电阻的选型需要考虑运放的线性范围和线性光耦的最大工作电流IFmax。

K1已知的情况下,IFmax又确定了IPD1的最大值IPD1max,这样,由于Vo的范围最小可以为0,这样,由于

考虑到IFmax大有利于能量的传输,这样,一般取

另外,由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性,因此,考虑IPD1的限制,

这样,

R2的确定可以根据所需要的放大倍数确定,例如如果不需要方法,只需将R2=R1即可。

另外由于光耦会产生一些高频的噪声,通常在R2处并联电容,构成低通滤波器,具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。

4.3参数确定实例

假设确定Vcc=5V,输入在0-4V之间,输出等于输入,采用LMV321运放芯片以及上面电路,下面给出参数确定的过程。

*确定IFmax：

HCNR200/201的手册上推荐器件工作的25mA左右;

*确定R3：

R3=5V/25mA=200;

*确定R1：

;

*确定R2：

R2=R1=32K。

5.总结

本文给出了线性光耦的简单介绍以及电路设计、参数选择等使用中的注意事项与参考设计,并对电路的设计方法给出相应的推导与解释,供广大电子工程师参考。

在通讯电路设计中，光耦是经常见到的；

TLP521-1可以用到9600～19200；

限流电阻是1K；上拉电阻是1K；

6N137可以到10M；但是6N137需要按照datasheet来接它的外部电路才能达到10M的速度；

6N137的内部和典型电路

6N137的内部结构

还有一种特殊的光耦，内部有2个发光管

那么，DI+和DI-互换就无所谓了；

常见之高速光藕型号

常见之高速光藕型号[zt]

经查大量资料后，总结出目前市场上常见之高速光藕型号供大家选择：

100Kbit/S:

6N138、6N139、PS8703

1Mbit/S:

6N135、6N136、CNW135、CNW136、PS8601、PS8602、PS8701、PS9613、PS9713、CNW4502、HCPL-2503、HCPL-4502、HCPL-2530（双路）、HCPL-2531（双路）

10Mbit/S:

6N137、PS9614、PS9714、PS9611、PS9715、HCPL-2601、HCPL-2611、HCPL-2630（双路）、HCPL－2631（双路）

另外，台湾COSMO公司的KP7010在RL选值为300欧左右时，我根据其数据手册所载数值计算，速率可达100Kbit/S，且为6脚封装，比同级的6N138、6N139小巧，价格也较低。

CTR的定义

光耦合器的增益被称为晶体管输出器件的电流传输比（CTR），其定义是光电晶体管集电极电流与LED正向电流的比率（ICE/IF）。

光电晶体管集电极电流与VCE有关，即集电极和发射极之间的电压。

可控硅型光耦

还有一种光耦是可控硅型光耦。

例如：

moc3063、IL420；

它们的主要指标是负载能力；

例如：

moc3063的负载能力是100mA；IL420是300mA；

光耦的部分型号

产品名称

型号规格

性能说明

光电耦合

4N25

晶体管输出

4N25MC

晶体管输出

4N26

晶体管输出

4N27

晶体管输出

4N28

晶体管输出

4N29

达林顿输出

4N30

达林顿输出

4N31

达林顿输出

4N32

达林顿输出

4N33

达林顿输出

4N33MC

达林顿输出

4N35

达林顿输出

4N36

晶体管输出

4N37

晶体管输出

4N38

晶体管输出

4N39

可控硅输出

6N135

高速光耦晶体管输出

6N136

高速光耦晶体管输出

6N137

高速光耦晶体管输出

6N138

达林顿输出

6N139

达林顿输出

MOC3020

可控硅驱动输出

MOC3021

可控硅驱动输出

MOC3023

可控硅驱动输出

MOC3030

可控硅驱动输出

MOC3040

过零触发可控硅输出

MOC3041

过零触发可控硅输出

MOC3061

过零触发可控硅输出

MOC3081

过零触发可控硅输出

TLP521-1

单光耦

TLP521-2

双光耦

TLP521-4

四光耦

TLP621

四光耦

TIL113

达林顿输出

TIL117

TTL逻辑输出

PC814

单光耦

PC817

单光耦

H11A2

晶体管输出

H11D1

高压晶体管输出

H11G2

电阻达林顿输出

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常用光耦

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00|By:

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