光耦工作原理詳解-光耦參數知識與特點(diǎn)理解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-05-28
它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線(xiàn)發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導體管，光敏電阻）封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線(xiàn)，受光器接受光線(xiàn)之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現了“電—光—電”轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長(cháng)、無(wú)觸點(diǎn)，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點(diǎn)，在數字電路上獲得廣泛的應用。
耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類(lèi)最多、用途最廣的光電器件之一。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(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(cháng)的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)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。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。
所以，它在長(cháng)線(xiàn)傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大提高計算機工作的可靠性。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。
光耦是隔離傳輸器件，原邊給定信號，副邊回路就會(huì )輸出經(jīng)過(guò)隔離的信號。對于光耦的隔離容易理解，此處不做討論。
以一個(gè)簡(jiǎn)單的圖（圖.1）說(shuō)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If，If 驅動(dòng)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(guò)RL產(chǎn)生Vout，達到傳遞信號的目的。原邊副邊直接的驅動(dòng)關(guān)聯(lián)是CTR（電流傳輸比），要滿(mǎn)足 Ic≤If*CTR。
光耦一般會(huì )有兩個(gè)用途：線(xiàn)性光耦和邏輯光耦，如果理解？
工作在開(kāi)關(guān)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(shí)Ic
工作在線(xiàn)性狀態(tài)的光耦，Ic=If*CTR，副邊三極管壓降的大小等于 Vcc-Ic*R L ，Vout=Ic*RL=(Vin-1.6V)/Ri * CTR*RL ，Vout大小直接與Vin成比例，一般用于反饋環(huán)路里面 (1.6V是粗略估計，實(shí)際要按器件資料，后續 1.6V 同) 。
對于光耦開(kāi)關(guān)和線(xiàn)性狀態(tài)可以類(lèi)比為普通三極管的飽和放大兩個(gè)狀態(tài)。
所以通過(guò)分析實(shí)際的電路，除去隔離因素，用分析三極管的方法來(lái)分析光耦是一個(gè)很有效的方法。此方法對于后續分析光耦的CTR參數，還有延遲參數都有助于理解。
1、光耦能否可靠導通實(shí)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(shí)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(lái)算算：If=(Vi-1.6V)/Ri=3.4mA
副邊的電流限制：Ic’≤ CTR*If = 1.7mA
假設副邊要飽和導通，那么需要 Ic’= (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA，大于電流通道限制，所以導通時(shí)，Ic 會(huì )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(dòng)能力小，只能驅動(dòng)1.7mA的電流，所以光耦會(huì )增大副邊三極管的導通壓降來(lái)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=(Vi–1.6V)/Ri=17mA；副邊電流限制 Ic’≤ CTR*If = 8.5mA，遠大于副邊飽和導通需要的電流(2.9mA)，所以實(shí)際 Ic = 2.9mA。所以，更改 Ri 后，Vout 輸出 3.3V 的方波。
開(kāi)關(guān)狀態(tài)的光耦，實(shí)際計算時(shí)，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 參數做比較，如果 Ic/If ≤CTR，說(shuō)明光耦能可靠導通。一般會(huì )預留一點(diǎn)余量（建議小于 CTR 的 90%）。
2、CTR 受那些因素影響
1)光耦本身：以8701為例，CTR在Ta=25℃/If=16mA 時(shí)，范圍是(15%~35%)
說(shuō)明8701這個(gè)型號的光耦，不論何時(shí)/何地，任何批次里的一個(gè)樣品，只要在Ta=25℃/If=16mA 這個(gè)條件下，CTR是一個(gè)確定的值，都能確定在 15%~35%以?xún)取?計算導通時(shí)，要以下限進(jìn)行計算，并且保證有余量。計算關(guān)斷時(shí)要以上限。
2)殼溫影響：
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(huì )工作在（-5~75℃）下，此種情況下 CTR 怎么確定？還是看 8701 的手冊：有 Ta-CTR 關(guān)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/(-5~75℃)條件下，8701的CTR 最小值是 15%*0.9=13.5%
3) 受If影響。
假設如果實(shí)際的If是3.4mA，那么如何確定CTR在If=3.4mA / Ta=(-5~75℃)條件下的最小CTR值。
查看8701的If-CTR曲線(xiàn)。圖中給出了三條曲線(xiàn)，代表抽取了三個(gè)樣品做測試得到的If-CTR曲線(xiàn)，實(shí)際只需要一個(gè)樣品的曲線(xiàn)即可。
上述CTR影響到信號能不能傳過(guò)去的問(wèn)題，類(lèi)似于直流特性。下面主要分析光耦的延時(shí)特性，即光耦能傳送多快信號。
涉及到兩個(gè)參數：光耦導通延時(shí)tplh和光耦關(guān)斷延時(shí)tphl，以8701為例 ：在If=16mA/Ic=2mA時(shí)候，關(guān)斷延時(shí)最大0.8uS，導通延時(shí)最大1.2uS。所以用 8701 傳遞 500k以上的開(kāi)關(guān)信號就需要不能滿(mǎn)足。
下圖是一個(gè)實(shí)測的延時(shí)波形（ch4原邊（紅），ch2副邊（綠））
對于tp參數的設計更應該考慮余量，因為tp參數也受其他因素影響較多。
1) 受溫度影響
8701的Ta-If特征曲線(xiàn)：溫度升高，開(kāi)關(guān)延時(shí)都會(huì )增大。
2) 受原邊If大小影響
8701的tp-If特征曲線(xiàn)：If增大，關(guān)斷延時(shí)減小，開(kāi)通延時(shí)增大
3) 受副邊Ic大小影響
8701 的 tp-R L 特征曲線(xiàn)：R L 減小，導通延時(shí)增大明顯
針對具體電路的特點(diǎn)，計算最大延時(shí)時(shí)也是采用與 CTR 一樣的方法，通過(guò)器件資料給定特定環(huán)境下的準確范圍，然后逐一通過(guò)三個(gè)曲線(xiàn)確定具體電路下的光耦最大延時(shí)。
注：同一個(gè)型號的光耦 CTR/延時(shí)特性是一致的，不同光耦的延時(shí)特性不盡相同，所以需要根據所用光耦的用戶(hù)手冊來(lái)確定。
光耦的主要特點(diǎn)如下：
1.輸入和輸出端之間絕緣，其絕緣電阻一般都大于10000MΩ，耐壓一般可超過(guò)1kV，有的甚至可以達到10kV以上。
2.由于光接收器只能接受光源的信息，反之不能，所以信號從光源單向傳輸到光接收器時(shí)不會(huì )出現反饋現象，其輸出信號也不會(huì )影響輸入端。
3.由于發(fā)光器件（砷化鎵紅外二極管）是阻抗電流驅動(dòng)性器件，而噪音是一種高內阻微電流電壓信號。因此光電耦合器件的共模抑制比很大，所以，光電耦合器件可以很好地抑制干擾并消除噪音。
4.容易和邏輯電路配合。
5.響應速度快。光電耦合器件的時(shí)間常數通常在毫秒甚至微秒級。
6.無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(cháng)、體積小、耐沖擊。
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