LED的發(fā)光原理和波長范圍 什么是光耦？為什么需要光耦？

光半導(dǎo)體的類型

光半導(dǎo)體的類型如下：

(1)發(fā)光器件???可見光LED、紅外LED、紫外LED、激光二極管

(2)受光器件???光傳感器、太陽能電池、CMOS傳感器

(3)復(fù)合器件(發(fā)光元件與受光元件的組合)???光耦、光纖耦合器

LED的發(fā)光原理

發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光原理是向化合物半導(dǎo)體的pn結(jié)施加正向電流。

當(dāng)正向電流通過發(fā)光二極管時(shí)，載流子(電子和空穴)移動(dòng)。p型區(qū)的空穴向n型區(qū)移動(dòng)，n型區(qū)的電子向p型區(qū)移動(dòng)。注入的載流子重組，重組前后的能量差將以光的形式釋放出來。發(fā)射光取決于化合物半導(dǎo)體的能隙(Eg)。

(備注：傳統(tǒng)的硅二極管不發(fā)光，因?yàn)橹亟M能量變成了熱能。)

LED的波長范圍

LED發(fā)射不同波長的紫外光乃至紅外光。發(fā)射波長將通過下面采用化合物半導(dǎo)體材料能隙(Eg)的等式進(jìn)行表示。

λ(nm)=1240/Eg(eV)

具有較大能隙的材料發(fā)射較短的波長，具有較小能隙的材料發(fā)射較長的波長。

對(duì)于應(yīng)用于電視遙控器等的紅外LED，使用GaAs(砷化鎵)材料;對(duì)于紅色/綠色指示器LED，使用GaP(磷化鎵)或InGaAlP(磷化鋁鎵銦);對(duì)于藍(lán)色LED，使用InGaN(氮化銦鎵)或GaN(氮化鎵)。

不同材料LED的發(fā)光顏色(按材料)

什么是光耦?

光 耦是將發(fā)光二極管(LED)和光電探測器集成于一個(gè)封裝中的器件。與其它光學(xué)器件不同，光不會(huì)發(fā)射至封裝外。其外觀類似于非隔離器/固態(tài)繼電器。雖然光耦是一種光學(xué)器件，但它不處理光，而是處理電信號(hào)。

光耦的操作示例：

(1)LED接通(0?1)。

(2)LED光進(jìn)入光電晶體管。

(3)光電晶體管接通。

(4)輸出電壓改變0?1。

(1)LED關(guān)斷(1?0)。

(2)LED光停止進(jìn)入光電晶體管。

(3)光電晶體管關(guān)斷。

(4)輸出電壓改變1?0。

為什么需要光耦?

在光耦中，原邊(LED側(cè))和副邊(受光器件側(cè))是電絕緣的。因此，即使原邊和副邊的電位(甚至GND電位)不同，也可以將原邊電信號(hào)傳輸?shù)礁边叀?/p>

如右圖所示的逆變器應(yīng)用中，控制單元(如微控制器)通常在低直流電壓下工作。另一方面，IPM和IGBT將驅(qū)動(dòng)高電壓負(fù)載(比如需要200V交流電)。高壓系統(tǒng)部件可通過耦合器直接由微控制器控制。

光耦的類型

LED用于光耦的輸入。另一方面，有各種器件可用于輸出。

晶體管輸出

光電晶體管是一種探測器。也可使用達(dá)林頓類型。

IC輸出

我們有光電二極管作為受光器件的產(chǎn)品、邏輯等輸出產(chǎn)品、用于IGBT和MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)的大電流輸出產(chǎn)品、以及隔離放大器等高功能產(chǎn)品。

雙向可控硅/晶閘管輸出

光電晶閘管或光電可控硅用于輸出。它們主要用于交流線路的控制。

光繼電器(MOSFET輸出)

光伏陣列(光電二極管陣列)驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極來打開/關(guān)閉輸出。通過這種操作，它可以用作MOSFET輸出的繼電器開關(guān)。

光耦的類型(封裝)

光耦必須具有符合安全標(biāo)準(zhǔn)的封裝形狀和介電強(qiáng)度。根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要檢查以下各項(xiàng)。

絕緣爬電距離

兩個(gè)導(dǎo)體之間沿絕緣體表面的最短距離(原邊和副邊)。

間隙

通過空氣測量的兩個(gè)導(dǎo)體之間的最短距離。

絕緣厚度

兩個(gè)導(dǎo)體之間絕緣體的最小距離。

隔離電壓

兩個(gè)導(dǎo)體之間的隔離電壓 *

根據(jù)UL規(guī)定，即使施加1分鐘也不會(huì)破壞絕緣的交流電壓。

光耦的類型(內(nèi)部結(jié)構(gòu))

由于要求的絕緣性能、封裝尺寸和內(nèi)部芯片尺寸等限制，光耦具有不同類型的內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)。

單模透射型：

框架式LED和框架式光電探測器采用面對(duì)面的模壓封裝。LED與光電探測器之間的透光部件采用硅樹脂材料。

帶膜的單模透射型：

為了提高隔離電壓，可在LED和光電探測器之間插入聚酰亞胺薄膜。

雙模透射型：

在這種透射結(jié)構(gòu)中，內(nèi)模為白色，外模為黑色。紅外線透光率高的樹脂用于透光部件的白色模具。

反射型：

框架式LED和框架式光電探測器位于同一平面。LED光在硅樹脂中反射并到達(dá)光電探測器。因此，它被稱為反射型。

光耦的安全標(biāo)準(zhǔn)

將光耦安裝在電氣設(shè)備中以保護(hù)人體免于觸電時(shí)，光耦可能需要遵守不同安全標(biāo)準(zhǔn)方面的規(guī)定。

現(xiàn)行有各種確保安全的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。

從設(shè)計(jì)和制造的角度來看，安全標(biāo)準(zhǔn)可分為“設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)”和“零件標(biāo)準(zhǔn)”。

設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)和制造電視機(jī)、錄像機(jī)和電源裝置等設(shè)備的基礎(chǔ)?！罢麢C(jī)標(biāo)準(zhǔn)”根據(jù)設(shè)備類型、隔離方法及其等級(jí)、驅(qū)動(dòng)電壓等不同而異。

此外，絕緣部分必須保持的項(xiàng)目(介電強(qiáng)度(絕緣電壓)、爬電距離、間隙等)被指定為“零件標(biāo)準(zhǔn)”。

主要安全標(biāo)準(zhǔn)

零件標(biāo)準(zhǔn)

UL1577(cUL)

隔離電壓標(biāo)準(zhǔn)(1分鐘)

批準(zhǔn)組織：UL(美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室公司)

EN60747-5-5

最大工作隔離電壓和最大過壓標(biāo)準(zhǔn)

批準(zhǔn)組織：VDE(德國電氣工程師協(xié)會(huì))

批準(zhǔn)組織：TUV(技術(shù)監(jiān)督協(xié)會(huì))

整機(jī)標(biāo)準(zhǔn)

(批準(zhǔn)組織：BSI(UK)SEMKO(瑞典)等)

EN60950

電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(工作站、PC機(jī)、打印機(jī)、傳真電阻器、調(diào)制解調(diào)器等)標(biāo)準(zhǔn)

EN60065

家用電器設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)(電視、收音機(jī)、錄像機(jī)等)

光耦的特性(電流傳輸比：CTR)

晶體管耦合器的電流傳輸比：它是用輸出電流相對(duì)于輸入電流的放大率來表示的，比如晶體管hFE。

電流傳輸比=CTR=IC/IE=輸出(集電極)電流/輸入電流×100(%)

例如：

當(dāng)輸出是IF=5mA時(shí)，得到IC=10mA。

CTR=IC /IF=10mA/5mA×100(%)=200%

光耦的主要特性(觸發(fā)LED電流)

觸發(fā)LED電流”是指“觸發(fā)狀態(tài)發(fā)生變化的LED電流”。

IFT, IFH, IFLH, IFLH等用作符號(hào)。

規(guī)格書中顯示的觸發(fā)LED電流表示了產(chǎn)品保證的電流值。為了穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證至少有觸發(fā)LED電流(最大值)流動(dòng)。

輸入LED電流IF從0mA逐漸增大，如果輸出在1mA時(shí)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，則IFT=1mA。

在下面的規(guī)格書中，將輸出切換到導(dǎo)通狀態(tài)所需的IF

最大值為3mA。

觸發(fā)LED電流是電路設(shè)計(jì)和使用壽命設(shè)計(jì)的重要項(xiàng)目。

光耦的老化變化數(shù)據(jù)

光耦的老化變化數(shù)據(jù)

發(fā)光元件(LED)的光輸出會(huì)隨時(shí)間的推移而減弱。在光耦中，LED光輸出的老化變化比受光器件的老化變化更為明顯。因此，設(shè)計(jì)人員需要利用所采用的光耦的老化變化數(shù)據(jù)來估計(jì)發(fā)光等級(jí)的降低趨勢。設(shè)計(jì)人員將根據(jù)使用設(shè)備的使用環(huán)境和LED的總工作時(shí)間來計(jì)算LED的光輸出變化。必須將該值反映在LED正向電流(IF)的初始值中。

*例如，當(dāng)占空比(發(fā)光持續(xù)時(shí)間)為50%，工作時(shí)間為1000小時(shí)，則計(jì)算總運(yùn)行時(shí)間為500小時(shí)。

左圖顯示了LED光輸出老化變化數(shù)據(jù)。

右圖顯示了LED光輸出低于某一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。

例如，左圖中的A點(diǎn)和右圖中的B點(diǎn)顯示了相同條件下的老化變化。(IF=50mA，Ta=40℃，8000小時(shí))

如何使用光耦

這些問題將在下一頁通過以下步驟進(jìn)行解釋。

第1步：設(shè)計(jì)LED輸入電流IF及輸入側(cè)電阻RIN

第2步：根據(jù)IF和CTR計(jì)算輸出電流

第3步：設(shè)計(jì)輸出側(cè)電阻RL

第4步：檢查每個(gè)設(shè)計(jì)常數(shù)

如何使用光耦“輸入電流”

第1步：設(shè)計(jì)LED輸入電流和輸入電阻RIN。

光耦的輸入電流(IF)是多少?

它將由(1)輸入電源電壓(5V)，(2)限流電阻(RIN)和(3)LED正向電壓(VF)決定。

根據(jù)規(guī)格示例，確定限流電阻和輸入電流(IF)。

RIN=(VCC-VF)/IF=(5V-1.3V)/10mA=370Ω

如何使用光耦“輸出電流”

第2步：根據(jù)IF和CTR計(jì)算光電晶體管的輸出電流。

光耦的輸出電流(IC)值是多少?

根據(jù)電流傳輸比(IC/IF)計(jì)算輸入電流(IF)=10mA時(shí)輸出電流(IC)的變化。從IC-IF曲線可以看出IC=10mA(@IF=5mA，VCE=5V，Ta=25℃)。所以這個(gè)樣本的CTR是200%, 這與當(dāng)BL最小時(shí)的值相同(200%到600%)。還可以看到IC=20 mA(@IF=10 mA、VCE=5V、Ta=25℃)。

接下來，我們用這里得到的IC值來推導(dǎo)RL。在這項(xiàng)計(jì)算中，設(shè)計(jì)RL的值，使得VCE即使在IC值最小時(shí)也成為飽和電壓。

如何使用光耦“輸出側(cè)電阻器”

第3步：設(shè)計(jì)輸出側(cè)電阻RL

根據(jù)輸出晶體管的IC-VCE特性確定RL。為了用于信號(hào)傳輸，必須完全滿足連接到負(fù)載側(cè)的器件的“L”電平。

這里，我們?cè)O(shè)置VCE=0.3V作為目標(biāo)值。

當(dāng)RL=1kΩ時(shí)，IF=10mA，VCE=0.9V，這無法滿足目標(biāo)值。當(dāng)RL=2kΩ時(shí)，VCE=0.2V左右，這可以滿足目標(biāo)值。因此，選擇RL=2kΩ。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還必須考慮負(fù)載側(cè)的阻抗。

如何使用光耦檢查

第4步：檢查每個(gè)設(shè)計(jì)常數(shù)

考慮工作溫度、速度、使用壽命設(shè)計(jì)、電阻公差等是否具有足夠的裕度。

溫度范圍 ? VF，CTR，允許電流等。

負(fù)載電阻 ? 開關(guān)速度，暗電流的影響等。

確認(rèn)器件使用壽命

光耦的輸入LED光輸出會(huì)隨著時(shí)間的推移而減弱。

必須確認(rèn)特性滿足要求，同時(shí)必須考慮器件在使用壽命目標(biāo)期間的退化趨勢。

光耦的老化變化可以根據(jù)輸入電流(IF)和環(huán)境溫度來計(jì)算。

審核編輯：湯梓紅