1、 光耦選型手冊光耦簡介： 光耦合器（opticalcoupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電光電”轉換。 光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。光耦的分類： （1）光電耦合器分為

2、兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。 非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關信號的傳輸，不適合于傳輸模擬量。常用的4N系列光耦屬于非線性光耦。 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，能以線性特性進行隔離控制。常用的線性光耦是PC817AC系列。（2） 常用的分類還有： 按速度分，可分為低速光電耦合器（光敏三極管、光電池等輸出型）和高速光電耦合器（光敏二極管帶信號處理電路或者光敏集成電路輸出型）。 按通道分，可分為單通道，雙通道和多通道光電耦合器。 按隔離特性分，可分為普通隔離光電耦合器（一般光學膠灌封低于5000V，空封低于2000V）和高壓隔離光

3、電耦合器（可分為10kV，20kV，30kV等）。 按輸出形式分，可分為： a、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。 b、NPN三極管輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型，互補輸出型等。 c、達林頓三極管輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型。 d、邏輯門電路輸出型，其中包括門電路輸出型，施密特觸發(fā)輸出型，三態(tài)門電路輸出型等。 e、低導通輸出型（輸出低電平毫伏數(shù)量級）。 f、光開關輸出型（導通電阻小于10）。 g、功率輸出型（IGBT/MOSFET等輸出）。光耦的結構特點： （1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較

4、大，通常為105106。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極體發(fā)光，從而被抑制掉了。 （2）光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。 （3）光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當外部設備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞儀表。因為光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。 （4）光電耦合器的回應速度極快，其回應延遲時間只

5、有10s左右，適于對回應速度要求很高的場合。光耦的相關參數(shù)：一、輸入特性：光耦合器的輸入特性實際也就是其內(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，當然不同的LED，測試條件和測試結果也會不一樣。（2）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。在使用交流脈沖驅動LED時，要特別注意不要超過反向電壓。（3）反向電流Ir（Reverse Current）通常指在最大反向電壓

6、情況下，流過LED的反向電流。（4）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。（5）中心波長p（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。（6）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。采用高效率的LED和高增益的接收放大電路可以降低驅動電流的需求。較小的If可以降低系統(tǒng)功耗，并降低LED的衰減，提高系統(tǒng)長期可靠性。如下圖A

7、VAGO光耦系列所示，HCPL-4701系列可做到40uA的導通電流，大大降低系統(tǒng)功耗。（7）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。二、輸出特性：光耦合器的輸出特性實際也就是其內(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

8、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Vce(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/IFCTRmin時（CTRmin在被測管技術條件中規(guī)定）集電極與發(fā)射極之間的電壓降。三、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，輸出電流和發(fā)光二極管正向電流之

9、比為電流傳輸比CTR。（2）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。（3）傳輸延遲時間tPHL,tPLH： 從輸入脈沖前沿幅度的50%到輸出脈沖電平下降到1.5V時所需時間為傳輸延遲時間tPHL。從輸入脈沖后沿幅度的50%到輸出脈沖電平上升到1.5V時所需時間為傳輸延遲時間tPLH。四、隔離特性：（1）入出間隔離電壓Vio（Isolation

10、 Voltage）光耦合器輸入端和輸出端之間絕緣耐壓值。（2）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（3）入出間隔離電阻Rio：（Isolation Resistance）半導體光耦合器輸入端和輸出端之間的絕緣電阻值。（4） 共模抑制比CMTR 光耦合器的技術參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat）。此外，在傳輸數(shù)字信號時還需考慮上升時間、下降時間、延遲時間和存儲時間等參數(shù)。 電流傳輸比是光耦

11、合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來表示。當輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。 使用光電耦合器主要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離，在設計電路時，必須遵循下列原則：所選用的光電耦合器件必須符合國內(nèi)和國際的有關隔離擊穿電壓的標準；由英國埃索柯姆（Isocom）公司、美國FAIRCHILD生產(chǎn)的4N系列（如4N25、4N26、4N35）光耦合器，在國內(nèi)應用地十分普遍?？梢杂糜趩纹瑱C的輸出隔離；所選用的光耦器件必須具有較高的耦合系數(shù)。光耦工作原理詳解 以一個簡單的圖（圖.1）說明光耦的工作：原邊輸入信號Vin，施加到原邊的發(fā)光二極管和Ri上產(chǎn)生光耦的輸入電流

12、If，If驅動發(fā)光二極管，使得副邊的光敏三極管導通，回路VCC、RL產(chǎn)生Ic,Ic經(jīng)過RL產(chǎn)生Vout，達到傳遞信號的目的。原邊副邊直接的驅動關聯(lián)是CTR（電流傳輸比），要滿足IcIf*CTR。 圖.1光耦一般會有兩個用途：線性光耦和邏輯光耦，工作在開關狀態(tài)的光耦副邊三極管飽和導通，管壓降0.4V，Vout約等于Vcc（Vcc-0.4V左右），Vout大小只受Vcc大小影響。此時IcIf*CTR，此工作狀態(tài)用于傳遞邏輯開關信號。工作在線性狀態(tài)的光耦，Ic=If*CTR，副邊三極管壓降的大小等于Vcc-Ic*RL，Vout=Ic*RL=(Vin-1.6V)/Ri*CTR*RL，Vout大小直接與

13、Vin成比例，一般用于反饋環(huán)路里面(1.6V是粗略估計，實際要按器件資料，后續(xù)1.6V同)。光耦CTR詳解概要：對于工作在開關狀態(tài)的光耦要保證光耦導通時CTR有一定余量；CTR受多個因素影響。 一、光耦能否可靠導通實際計算舉例分析，例如圖.1中的光耦電路，假設Ri=1k,Ro=1k,光耦CTR=50%，光耦導通時假設二極管壓降為1.6V，副邊三極管飽和導通壓降Vce=0.4V。輸入信號Vi是5V的方波，輸出Vcc是3.3V。Vout能得到3.3V的方波嗎？我們來算算：If=(Vi-1.6V)/Ri=3.4mA副邊的電流限制：IcCTR*If=1.7mA假設副邊要飽和導通，那么需要Ic=(3.3

14、V0.4V)/1k=2.9mA，大于電流通道限制，所以導通時，Ic會被光耦限制到1.7mA，Vout=Ro*1.7mA=1.7V所以副邊得到的是1.7V的方波。為什么得不到3.3V的方波，可以理解為圖.1光耦電路的電流驅動能力小，只能驅動1.7mA的電流，所以光耦會增大副邊三極管的導通壓降來限制副邊的電流到1.7mA。解決措施：增大If；增大CTR；減小Ic。對應措施為：減小Ri阻值；更換大CTR光耦；增大Ro阻值。將上述參數(shù)稍加優(yōu)化，假設增大Ri到200歐姆，其他一切條件都不變，Vout能得到3.3V的方波嗎？重新計算：If=(Vi1.6V)/Ri=17mA；副邊電流限制IcCTR*If=8

15、.5mA，遠大于副邊飽和導通需要的電流(2.9mA)，所以實際Ic=2.9mA。所以，更改Ri后，Vout輸出3.3V的方波。開關狀態(tài)的光耦，實際計算時，一般將電路能正常工作需要的最大Ic與原邊能提供的最小If之間Ic/If的比值與光耦的CTR參數(shù)做比較，如果Ic/IfCTR，說明光耦能可靠導通。一般會預留一點余量（建議小于CTR的90%）。二、CTR受那些因素影響上一節(jié)說到設計時要保證一定CTR余量。就是因為CTR的大小受眾多因素影響，這些因素之中既有導致CTR只離散的因素（不同光耦），又有與CTR有一致性的參數(shù)（殼溫/If/壽命）。（1）光耦本身離散性：下圖是2801不同批次光耦的CTR，

16、手冊上一般給的都是If=5mA時的值，可以看到不同DATECODE的有差異，但CTR值都在規(guī)格（130-260）范圍內(nèi)。J16(2009年第16周生產(chǎn))的光耦在室溫下的CTRIF（VCE=5V）#1#2#3#4#5#6#75mA177%187%183%177%178%170%177%J25(2009年第25周生產(chǎn))的光耦在室溫下的CTRIF（VCE=5V）#1#2#3#4#5#6#75mA166%147%174%174%173%210%196%同樣以8701為例，CTR在Ta=25/If=16mA時，范圍是(15%35%)說明8701這個型號的光耦，不論何時/何地，任何批次里的一個樣品，只要在

17、Ta=25/If=16mA這個條件下，CTR是一個確定的值，都能確定在15%35%以內(nèi)。因此計算開關光耦的導通時，要以下限進行計算，并且保證有余量。計算關斷時要以上限。（2） 溫度影響：以8701為例Ta=25條件下的 CTR 下限確定了，但往往產(chǎn)品里面溫度范圍比較大，比如光耦會工作在（-575）下，此種情況下 CTR 怎么確定？還是看 8701 的手冊：有 Ta-CTR 關系圖：從圖中看出，以25 度的為基準，在其他條件不變的情況下，-5 度下的CTR 是25 度下的0.9 倍左右，75 度下最小與25 度下的CTR 持平。所以在 16mA/(-575)條件下，8701的CTR 最小值是15

18、%*0.9 = 13.5%（3） 原邊電流IF影響某一批次的2801 CTR值：IF（VCE=5V）#1#2#3#4#5#6#71mA88.3%90.48%90.57%86.56%87.1%85.12%87.39%2mA133%130%130%125%135%122%126%3mA150%154%154%147%151%139%150%5mA177%187%183%177%178%170%177%IF不同，CTR不同，且差異非常大。此時CTR計算可參考（以8701為例）：假設如果實際的If是3.4mA，那么如何確定CTR在If=3.4mA / Ta=(-575)條件下的最小CTR 值。查看 8

19、701 的If-CTR 曲線。圖中給出了三條曲線，代表抽取了三個樣品做測試得到的If-CTR 曲線，實際只需要一個樣品的曲線即可。注：此圖容易理解為下限/典型/上限三個曲線，其實不然。大部分圖表曲線只是一個相對關系圖，不能圖中讀出絕對的參數(shù)值。計算：選用最上面一條樣品曲線，由圖中查出，If=16mA 時CTR 大概28%，在If=3.4mA時CTR 大概在46%。3.4mA 是16mA 時的46%/28% = 1.64倍；所以，在 If=3.4mA / (-575)，CTR下限為13.5% * 1.64 = 22.2%（4） VCE的影響Ic,If,Vce關系曲線：由圖表可看出：Vce必須大于

20、一定電壓，Ic才能達到最大，CTR值才會大； 設計，選型，替代注意：Vce在電路應用中，保證設計有一定的電壓值，否則Ic將較小，CTR將較小，一般設計Vc應大于3V。（5） 壽命影響 CTR值與工作時間，工作電流，工作溫度關系曲線由圖表可看出：工作時間越長，CTR值越小；工作溫度越高，CTR值越?。?工作電流越大，CTR值越?。辉谠O計選型時，在規(guī)格書規(guī)定的工作環(huán)境溫度下，為了保證產(chǎn)品足夠壽命，需要選取合適的工作電流。 通過以上影響CTR的因素，離散性、溫度、If、VCE、壽命，這幾個因數(shù)綜合起來，結合電路設計的功耗，確定If，根據(jù)現(xiàn)場使用環(huán)境確定溫度范圍，確定CTR值的下限。根據(jù)CTR值的下限

21、及傳輸速率要求，確定原邊及副邊的負載電阻。光耦的傳輸特性 前面介紹光耦的參數(shù)時介紹涉及傳輸特性的幾個參數(shù)，上升時間Tr （Rise Time）& 下降時間Tf（Fall Time），傳輸延遲時間tPHL及tPLH。這幾個參數(shù)在不同光耦廠家的定義略有不同，但表征意義基本相同。由于光耦自身存在分布電容，對傳輸速度造成影響，光敏三極管存在分布電容Cbe。由于CB間接電容的存在，造成輸入與輸出信號間有個延遲時間，部分光藕在使用中將B極與地間加個電阻來減少延遲時間； 設計，選型，替代注意：在設計選型時，要了解光耦在信號傳輸時，有時間的延遲問題，因此選型根據(jù)產(chǎn)品的工作頻率來選定不同傳輸速率的光耦，部分可通

22、過調(diào)整電阻來改變頻率響應；一、光耦的傳輸延時tPHL及tPLH：以8701為例涉 及到 兩個參 數(shù)： 光耦導通延時 tphl 和 光耦關斷 延時 tplh ， 以 8701 為例 ：在If=16mA/Ic=2mA 時候，導通延時最大 1.2uS，關斷延時最大 0.8uS。所以用 8701 傳遞 500k以上的開關信號就需要不能滿足。 下圖是一個實測的延時波形（ch4 原邊（紅），ch2 副邊（綠）對于 tp 參數(shù)的設計更應該考慮余量，因為 tp 參數(shù)也受其他因素影響較多。（1） 受溫度影響8701 的 Ta-If 特征曲線：溫度升高，開關延時都會增大。 （2） 受原邊If大小影響 8701 的 tp-If 特征曲線：If 增大，導通延時減小，關斷延時增大。（3） 受副