光電耦合器原理及應(yīng)用介紹

光耦的技術(shù)參數(shù)可分為輸入特性、輸出特性、傳輸特性、隔離特性等幾大部分。

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3.1????????? 輸入特性

光耦的輸入特性實(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.????? 正向工作電流If（Forward Current）

If是指LED正常發(fā)光時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不一樣。

2.????? 正向脈沖工作電流Ifp（Peak Forward Current）

Ifp是指流過LED的正向脈沖電流值。為保證壽命，通常會采用脈沖形式來驅(qū)動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的脈沖電流來計算的。

3.????? 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If=20mA來測試正向工作電壓，當(dāng)然不同的LED，測試條件和測試結(jié)果也會不一樣。

4.????? 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，可能會損壞LED。在使用交流脈沖驅(qū)動LED時，要特別注意不要超過反向電壓。

5.????? 反向電流Ir（Reverse Current）

通常指在最大反向電壓情況下，流過LED的反向電流。

6.????? 允許功耗Pd（Maximum Power Dissipation）

LED所能承受的最大功耗值。超過此功耗，可能會損壞LED。

7.????? 中心波長λp（Peak Wave Length）

是指LED所發(fā)出光的中心波長值。波長直接決定光的顏色，對于雙色或多色LED，會有幾個不同的中心波長值。

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3.2????????? 輸出特性

光耦的輸入特性實(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Ic（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，流過集電極的電流為反向截止電流。

5.?????? C-E飽和電壓Vcd(sat)（C-E Saturation Voltage）

發(fā)光二極管工作電流IF和集電極電流IC為規(guī)定值時，并保持IC/IF≤CTRmin時（CTRmin在被測管技術(shù)條件中規(guī)定）集電極與發(fā)射極之間的電壓降。

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3.3????????? 傳輸特性：

1．上升時間Tr （Rise Time）& 下降時間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%，所需時間為脈沖上升時間tr。從輸出脈沖后沿幅度的90%到10%，所需時間為脈沖下降時間tf。

2．電流傳輸比CTR（Current Transfer Radio）

輸出管的工作電壓為規(guī)定值時，輸出電流和發(fā)光二極管正向電流之比為電流傳輸比CTR。

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3.4????????? 隔離特性

1． 入出間隔離電容Cio（Isolation Capacitance）：

光耦合器件輸入端和輸出端之間的電容值

2． 入出間隔離電阻Rio：（Isolation Resistance）

半導(dǎo)體光耦合器輸入端和輸出端之間的絕緣電阻值。

3． 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。

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其它參數(shù)諸如工作溫度、耗散功率等不再一一敷述。

光電耦合器分類及應(yīng)用

4.1?????? 分類

按傳輸特性，通常將光電耦合器分為兩類：一類是非線性光耦；一類是線性光耦。非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于傳輸開關(guān)信號，不適合于傳輸模擬量。 線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號時性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制。所以通常需要傳輸模擬信號的場合，如開關(guān)電源輸出端反饋信號與輸入端信號的隔離，就需采用線性光耦；而傳輸邏輯信號的場合，如采樣信號與單片機(jī)輸入之間，通常會采用非線性光耦。

線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別，只是將普通光耦的單發(fā)單收模式稍加改變，增加一個用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個光接受電路都是非線性的，但兩個光接受電路的非線性特性都是一樣的。就可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)線性隔離的目的。

按結(jié)構(gòu)類型，又可將光耦分為：通用型（又分無基極引線和基極引線兩種）、達(dá)林頓型、施密特型、高速型、光集成電路、光纖維、光敏晶閘管型（又分單向晶閘管、雙向晶閘管）、光敏場效應(yīng)管型，此外還有雙通道式（內(nèi)部有兩套對管）、高增益型、交-直流輸入型等等。下面舉例介紹一下通用型及達(dá)林頓輸出型。

在通用型光耦合器中，接收端是一只硅光電管，因此在B-E之間只有一個硅PN結(jié)；達(dá)林頓型光耦不然，它由復(fù)合管構(gòu)成，兩個硅PN結(jié)串聯(lián)成復(fù)合管的發(fā)射結(jié)，因此達(dá)林頓光耦有更大的電流傳輸比（通常達(dá)林頓型光耦的CTR比通用型光耦大1~2個數(shù)量級），從而就擁有更大的驅(qū)動能力，如下圖。

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4.2????? 應(yīng)用

由于光耦優(yōu)點(diǎn)突出：如信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高等；并且其結(jié)構(gòu)及種類十分繁多，因而其應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用以下場合：
　　(1) 在邏輯電路上的應(yīng)用
　　光電耦合器可以構(gòu)成各種邏輯電路，由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比晶體管好，因此由它構(gòu)成的邏輯電路更可靠。需要注意的是光耦的傳輸速率能否滿足邏輯電路的需要。

　　(2) 作為固體開關(guān)應(yīng)用
　　在開關(guān)電路中，往往要求控制電路和開關(guān)之間要有很好的電隔離，對于一般的電子開關(guān)來說是很難做到的，但用光電耦合器卻很容易實(shí)現(xiàn)。對于開關(guān)電路，除了要求光耦有好的隔離性能外，開關(guān)時間也非常重要。

　　(3) 在觸發(fā)電路上的應(yīng)用
　　將光電耦合器用于雙穩(wěn)態(tài)輸出電路，由于可以把發(fā)光二極管分別串入兩管發(fā)射極回路，可有效地解決輸出與負(fù)載隔離地問題。由于溫度對于光耦的暗電流及LED的穩(wěn)定性均有影響，所以要十分注意此類電路的使用環(huán)境。

　　(4) 在脈沖放大電路中的應(yīng)用
　　光電耦合器應(yīng)用于數(shù)字電路，可以將脈沖信號進(jìn)行放大。

　　(5) 在線性電路上的應(yīng)用
　　線性光電耦合器應(yīng)用于線性電路中，具有較高地線性度以及優(yōu)良的電隔離性能。這類電路一般用于模擬信號的傳輸，如開關(guān)電源電路中。

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(6) 其它特殊場合的應(yīng)用
　　光電耦合器還可應(yīng)用于高壓控制，取代變壓器，代替觸點(diǎn)繼電器以及用于a/d電路等多種場合。還可用于工業(yè)控制，以弱信號驅(qū)動大功率設(shè)備等。

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下面舉例說明。如下圖：單片機(jī)與RS485通訊口之間的采用光耦隔離，從而使單片機(jī)免受外界信號的干擾及突波的沖擊。

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因通常RS485接口與單片機(jī)之間的通訊為數(shù)字信號，對線性度要求不是很高，但通信的波特率都比較高，如果光耦傳輸波形上升/下降速度過慢，則會成為整個通信系統(tǒng)的瓶頸。所以此處應(yīng)選取高速光耦。而且與光耦匹配的電阻的阻值也需要最優(yōu)化。例如：電阻R2、R3如果選取得較大，將會使光耦的發(fā)光管由截止進(jìn)入飽和變得較慢；如果選取得過小，退出飽和也會很慢，所以這兩只電阻的數(shù)值要精心選取，通常可以由實(shí)驗(yàn)來定。

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選型要點(diǎn)：1，CTR及線性度；2，隔離特性；3，上升/下降速度；4，隔離電容；5，驅(qū)動能力；6，輸入電流。

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更多實(shí)例，請參考http://bbs.elecfans.com/dv_rss_xhtml_54_6214_1.html

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二、 供應(yīng)商介紹

SHARP夏普（日本夏普光電分公司成立于1960年，在日本SHINJO、TENRI及海外都設(shè)有工廠和研發(fā)中心，其光電半導(dǎo)體產(chǎn)品的銷售量持續(xù)二十年穩(wěn)居全球第一位。）

TOSHIBA東芝

FAIRCHILD仙童

AGLIENT安捷倫(1995年從HP獨(dú)立出來)

NEC日電

VISHAY威世

BRIGHT佰鴻

COSMO冠西

MOTOROLA摩托羅拉

PHILIPS菲利浦

EVERLIGHT億光

PANASONIC松下

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