物聯(lián)網(wǎng)中電路設(shè)計(jì)常見的隔離器件_光耦

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用光耦

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用光耦的原因主要基于光耦的多種優(yōu)越特性和在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用優(yōu)勢。以下是詳細(xì)的分析：

光耦的優(yōu)越特性

1、電氣隔離：

光耦能夠?qū)崿F(xiàn)輸入端與輸出端之間的電氣隔離，有效阻斷電路或系統(tǒng)之間的電聯(lián)系，防止漏電、短路、打火等問題。這種隔離特性在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中尤為重要，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)設(shè)備往往需要在各種復(fù)雜、多變的環(huán)境中運(yùn)行，電氣隔離能夠保護(hù)設(shè)備免受外界電氣干擾的影響。

2、抗干擾能力強(qiáng)：

光耦的輸入阻抗小，而干擾源的阻抗大，根據(jù)分壓原理，即使干擾電壓的幅度較大，饋送到光耦輸入端的雜訊電壓也會(huì)很小，從而被有效抑制。此外，光耦的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，避免了共阻抗耦合的干擾信號(hào)的產(chǎn)生，提高了信號(hào)的信噪比。

3、高響應(yīng)速度：

光耦的回應(yīng)速度極快，回應(yīng)延遲時(shí)間只有微秒級(jí)，這使得它非常適合于對(duì)響應(yīng)速度要求高的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在需要快速響應(yīng)的應(yīng)用場景中，光耦能夠確保信號(hào)的及時(shí)傳輸和處理。

4、長壽命、無觸點(diǎn)：

光耦沒有機(jī)械觸點(diǎn)，因此具有較長的使用壽命和較高的可靠性。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行是至關(guān)重要的，光耦的這一特性有助于降低設(shè)備的維護(hù)成本和故障率。

5、低功耗、小體積：

光耦具有低功耗和小體積的特點(diǎn)，這符合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)高集成度、小型化和低功耗的需求。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，設(shè)備往往需要長時(shí)間運(yùn)行，低功耗特性有助于延長設(shè)備的續(xù)航時(shí)間；同時(shí)，小體積也有助于設(shè)備的小型化和便攜化。

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢

1、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性：

通過電氣隔離和抗干擾能力，光耦能夠保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的敏感設(shè)備免受外界電氣干擾和噪聲的影響，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2、簡化電路設(shè)計(jì)：

光耦的應(yīng)用可以簡化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的電路設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)難度和成本。例如，在需要隔離輸入輸出通道的場景中，使用光耦可以省去復(fù)雜的隔離電路和元件。

3、擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域：

光耦的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域包括開關(guān)電源、電機(jī)控制、傳感器、通信等，這些領(lǐng)域也是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分。通過在這些領(lǐng)域中使用光耦，可以進(jìn)一步擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和功能性。

具體硬件場景

用作固體繼電器：

1，具有體積小、耦合緊密、驅(qū)動(dòng)功率小、動(dòng)作速度快、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

2，在電話安全設(shè)備中的應(yīng)用：能夠防止通過電話進(jìn)行線路被并機(jī)竊用或電話機(jī)被盜用通話。

3，代替音頻變壓器：在線性電路中，音頻變壓器通常用于兩級(jí)放大器之間的耦合。

4，在邏輯電路上的應(yīng)用：光耦可用于形成各種邏輯電路。由于光耦的抗干擾性能和隔離性能優(yōu)于晶體管，所以由光耦構(gòu)成的邏輯電路更為可靠。

5，作為固體開關(guān)應(yīng)用：控制電路與開關(guān)之間具有良好的電氣隔離。

6，在觸發(fā)電路中的應(yīng)用：將光電耦合器用于雙穩(wěn)態(tài)輸出控制電路，可有效地提高解決實(shí)際輸出與負(fù)載隔離地面的問題。

7，脈沖信號(hào)放大系統(tǒng)電路中的應(yīng)用：以放大數(shù)字脈沖信號(hào)。

8，,在線性電路中的應(yīng)用：線性電路采用線性光耦，線性度高，隔離性能好。,

9，特殊場合的應(yīng)用：光耦合器也可以用于高壓控制，代替變壓器，代替接觸式繼電器，以及A/D電路。

圖3：光耦的主要應(yīng)用領(lǐng)域

其他行業(yè)應(yīng)用

通信領(lǐng)域：在通信設(shè)備中，光耦可以用于信號(hào)隔離、光電轉(zhuǎn)換等功能。例如，在數(shù)字隔離器中，光耦可以隔離數(shù)字信號(hào)和傳輸媒介之間的電氣連接，防止信號(hào)噪聲的傳播。在光通信系統(tǒng)中，光耦可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和再生。

計(jì)算機(jī)領(lǐng)域：光耦通常用于隔離計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備之間的電氣連接。例如，將光耦應(yīng)用于計(jì)算機(jī)串行端口上，可以隔離計(jì)算機(jī)和串行設(shè)備之間的電氣連接，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離和保護(hù)。

醫(yī)療領(lǐng)域：光耦通常被用于隔離醫(yī)療設(shè)備和患者之間的電氣連接。例如，在心臟起搏器中，光耦可以將信號(hào)隔離，從而防止電氣噪聲干擾。

工業(yè)控制：在電力控制回路中，光耦可以將控制信號(hào)和高壓回路之間進(jìn)行隔離，從而防止高壓回路的電氣噪聲對(duì)控制信號(hào)的干擾。在電機(jī)控制回路中，光耦可以將控制信號(hào)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路之間進(jìn)行隔離，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用光耦的原因主要在于其優(yōu)越的電氣隔離、抗干擾能力強(qiáng)、高響應(yīng)速度、長壽命、無觸點(diǎn)、低功耗和小體積等特性，以及這些特性在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得光耦成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中不可或缺的重要元件之一。

本文會(huì)再為大家詳解光電器件家族中的一員——光耦。

光耦簡介

光耦合器是在兩個(gè)隔離電路之間傳輸電信號(hào)的電子元件，也就是說將電信號(hào)從一個(gè)電路傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電路。（具體的如下圖所示。）光耦合器也稱為光隔離器、光耦合器或光隔離器。

光耦的分類

光耦器件常用的八大分類方式如下：

1，按光路徑：可分為外光路光電耦合器（又稱光電斷續(xù)檢測器）和內(nèi)光路光電耦合器。

2，按通道數(shù)量分：可分為單通道，雙通道和多通道光電耦合器。

3，按輸出形式分

（1）光敏器件輸出型，其中包括光敏二極管輸出型，光敏三極管輸出型，光電池輸出型，光可控硅輸出型等。

（2）NPN三極管輸出型，其中包括交流、直流輸入型，互補(bǔ)輸出型等。

（3）達(dá)林頓三極管輸出型，其中包括交流、直流輸入型。

（4）邏輯門電路輸出型，其中包括門電路、施密特觸發(fā)、三態(tài)門電路輸出型等。

（5）低導(dǎo)通輸出型（輸出低電平毫伏數(shù)量級(jí)）。

（6）光開關(guān)輸出型（導(dǎo)通電阻小于10Ω）。

（7）功率輸出型（IGBT/MOSFET等輸出）。

4，按速度分：低速光耦（光敏三極管、光電池等輸出型），速度通常低于100Kbps，高速光電耦合器（光敏二極管帶信號(hào)處理電路或者光敏集成電路輸出型），速率幾百Kbps以上，甚至可達(dá)數(shù)百M(fèi)bps。

5，按傳輸信號(hào)分：可分為數(shù)字型光電耦合器（OC門輸出型，圖騰柱輸出型及三態(tài)門電路輸出型等）和線性光電耦合器（可分為低漂移型，高線性型，寬帶型，單電源型，雙電源型等）。

6，按隔離特性分：可分為普通隔離光電耦合器（一般光學(xué)膠灌封低于5000V，空封低于2000V）和高壓隔離光電耦合器（可分為10kV，20kV，30kV等）。

7，按工作電壓分：可分為低電源電壓型光電耦合器（一般5～15V）和高電源電壓型光電耦合器（一般大于30V）。

8，按封裝形式分：可分為同軸型，雙列直插型，TO封裝型，扁平封裝型，貼片封裝型，以及光纖傳輸型等。

光耦的基本工作特性

1、共模抑制比很高：在光電耦合器內(nèi)部，由于發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很?。?pF以內(nèi)）所以共模輸入電壓通過極間耦合電容對(duì)輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。

2、輸出特性：光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流IF下，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關(guān)系，當(dāng)IF=0時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時(shí)的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。當(dāng)IF>0時(shí)，在一定的IF作用下，所對(duì)應(yīng)的IC基本上與VCE無關(guān)。IC與IF之間的變化成線性關(guān)系，用半導(dǎo)體管特性圖示儀測出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極管輸出特性相似。

3、隔離特性

（1）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，最高隔離電壓通?？芍辽锨Х?/p>

（2）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，通常2pF以內(nèi)。

（3）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，通常大于10^11歐姆。

4、傳輸特性：

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

（2）上升時(shí)間Tr （Rise Time）& 下降時(shí)間Tf（Fall Time）：光電耦合器在規(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(shí)間為脈沖上升時(shí)間tr。從輸出脈沖后沿幅度的90%到10%，所需時(shí)間為脈沖下降時(shí)間tf。

5、光電耦合器可作為線性耦合器使用。

在發(fā)光二極管上提供一個(gè)偏置電流，再把信號(hào)電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號(hào)，其輸出電流將隨輸入的信號(hào)電壓作線性變化。光電耦合器也可工作于開關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖信號(hào)。在傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間存在一定的延遲時(shí)間，不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器輸入、輸出延遲時(shí)間相差很大。

光耦的選型

在光耦選型時(shí)一般需要考慮如下幾個(gè)參數(shù)：

（1）線性還是非線性：應(yīng)用場景為開關(guān)信號(hào)的可以選擇非線性光耦，需要傳輸模擬量則要選擇線性光耦。

（2）速度：根據(jù)應(yīng)用場景要求，選擇低速光耦（光敏三極管，響應(yīng)速度微秒級(jí)）或者高速光耦（光敏二極管，響應(yīng)速度納秒級(jí)）。

（3）隔離電壓：光耦是起隔離作用的元器件，隔離性能就需要通過隔離電壓這個(gè)參數(shù)來體現(xiàn)，隔離電壓的意思是光耦的輸入和輸出之間短時(shí)間所能承受不被擊穿電壓的最大值。

（4）電流傳輸比CTR：這個(gè)參數(shù)指的是輸出電流和輸入電流之間的百分比值，CTR值越大，表明光耦越省電，相對(duì)的也更容易受到干擾，反之亦然。

（5）工作溫度：所有光耦都有一個(gè)溫度范圍，在選型時(shí)可以根據(jù)自己的應(yīng)用場景（商規(guī)/工規(guī)/車規(guī)）和需求來選擇工作溫度參數(shù)。

（6）封裝：根據(jù)電路、PCB結(jié)構(gòu)空間來確定是選擇單通道還是多通道產(chǎn)品，一般光耦常用的封裝有DIP-4、DIP-8、SOP-4、SOP-8等等。

供應(yīng)商A:光寶

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊(cè)

https://so.szlcsc.com/global.html?k=%25E5%2585%2589%25E5%25AE%259D%2520%25E5%2585%2589%25E8%2580%25A6&hot-key=ADA4530-1ARZ-R7

（2）主推型號(hào)1：LTV-217-B-G

以及對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

光敏三極管輸出型

*電流傳輸比

（CTR:在I=5mA，VCE=5V時(shí)最小50%）

*輸入和輸出之間的隔離電壓LTV-217系列！（Viso=3.75 KVrms）

*采用雙轉(zhuǎn)移模技術(shù)

核心料（哪些項(xiàng)目在用）

AP5000E_AM430EV5 RTU項(xiàng)目

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

供應(yīng)商B：江蘇固得沃克微電子科技有限公司

http://www.gk-goodwork.com/

1、產(chǎn)品能力

（1）主推型號(hào)1：PC817C

對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

PC817 系列光合器的組成是: 由一個(gè) GaAs 的發(fā)射管和一個(gè) NPN 的晶體管組成。PC817 的引腳中心距是

2.54mm

特點(diǎn)

電流轉(zhuǎn)換比(CTR: 最小 50% 工作條件 I=5mA,VcE=5V)2.絕緣電壓: (Viso=5,000Vrms)

響應(yīng)時(shí)間 (tr: TYP 6us; tf TYP5us)工作條件 VCE=2V Ic=2mA, RL=100 2))

ESD: HBM8000V&MM2000V

應(yīng)用范圍

開關(guān)電源.

電表

電腦.

器具的應(yīng)用，測量機(jī).

貯存器，復(fù)印機(jī)。自動(dòng)售貨機(jī).

家用電器、如風(fēng)扇等

信號(hào)傳輸系統(tǒng).

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

3FD5D572B823BA05C967330A07ECF74F

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審核編輯 黃宇