光耦選型最全指南及各種參數(shù)說(shuō)明

1、光耦選型手冊(cè)光耦簡(jiǎn)介：光耦合器（opticalcoupler ,英文縮寫為 0。亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)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(dǎo)體管） 封裝在同一管殼內(nèi)。 當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)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(shí)現(xiàn)了 “電一光一電”轉(zhuǎn)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(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（led ,使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放 大后輸出。這就完成了電一光一電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。光耦的分類：（1）光電

2、耦合器分為兩種：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(guān)信號(hào)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(hào)時(shí)性能較好， 能以線性特性進(jìn)行隔離控制。常用的線性光耦是pc817l c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(hào)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(xué)膠灌封低于5000v,空封低于2000v）和高壓隔

3、離光電耦合器（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、npne極管輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型，互補(bǔ)輸出型等。c、達(dá)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(dǎo)通輸出型（輸出低電平毫伏數(shù)量級(jí)）。f 、光開關(guān)輸出型（導(dǎo)通電阻小于10q）。g、功率輸出型（igbt/mosfe傳輸出）。光耦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):(1)光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，

4、通常為105106qo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(huì)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(guò)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(hào)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(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào) 線短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表。因?yàn)楣怦詈掀骷妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g可以承受幾千伏的 高壓。(4)光電耦合器的回應(yīng)速度極快，其回應(yīng)延遲時(shí)間

5、只有10 ds左右，適于對(duì)回應(yīng)速度要求很高的場(chǎng)合。光耦的相關(guān)參數(shù)：一、輸入特性：光耦合器的輸入特性實(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(lái)測(cè)試正向工作電壓，當(dāng)然不同的led,測(cè)試條件和測(cè)試結(jié)果也會(huì)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(guò)此反向電壓，可能會(huì)損壞leq在使用交流脈沖驅(qū)動(dòng)led時(shí)，要特別注意不要超過(guò)反向電壓。(3)反向電流 ir (reverse current

6、)通常指在最大反向電壓情況下，流過(guò)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(guò)此功耗，可能會(huì)損壞leq(5)中心波長(zhǎng)入 p (peak wave length )是指led所發(fā)出光的中心波長(zhǎng)值。波長(zhǎng)直接決定光的顏色，對(duì)于雙色或多色led,會(huì)有幾個(gè)不同的中心波長(zhǎng)值。(6)正向工作電流 if ( forward current )if是指led正常發(fā)光時(shí)所流過(guò)的正向電流值。不同的led,其允許流過(guò)的最大電流也會(huì)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(qū)動(dòng)電流的需求。較小的 if可以降低 系統(tǒng)功耗，并

7、降低led的衰減，提高系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性。如下圖avag比耦系歹u所示，hcpl-4701 系列可做到40ua的導(dǎo)通電流，大大降低系統(tǒng)功耗。gn135出蒙州1g pt ahcpl-4503 京珊hcpln5d4 系列 12 mahcpl-450 系列 10 ma6m137 摩列hcpl-261 a2 ma.ib ma0.5 mahcpl47q1 ah 如(7)正向脈沖工作電流ifp (peak forward current )ifp是指流過(guò)led的正向脈沖電流值。為保證壽命，通常會(huì)采用脈沖形式來(lái)驅(qū)動(dòng)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(lái)計(jì)算的。

8、二、輸出特性：光耦合器的輸出特性實(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 (collectorcurrent ) 光敏三極管集電極所流過(guò)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(shí)，流過(guò)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

9、 )發(fā)光二極管工作電流if和集電極電流ic為規(guī)定值時(shí)，并保持ic/if wctrmin時(shí)(ctrmin 在被測(cè)管技術(shù)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(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唯u 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

10、90唯ij 10%所需時(shí)間為脈沖下降時(shí)間 tf 。(3)傳輸延遲時(shí)間tphl,tplh :從輸入脈沖前沿幅度的50唯11輸出脈沖電平下降到1.5v時(shí)所需時(shí)間為傳輸延遲時(shí)間tphlo從輸入脈沖后沿幅度的50%iij輸出脈沖電平上升到1.5v時(shí)所需時(shí)間為傳輸延遲時(shí)間tplho 四、隔離特性：(1)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。(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(dǎo)

11、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 cmtrcmh =輸出高電平-甘其松抑用.比（wub）cmi =輸出低電平時(shí)蛀掇抄物比（vju3）cmtr指在每微秒光隔能容許的錄入及設(shè)巾葉升或f降率.這個(gè)黃敕在i業(yè)應(yīng) 用中至美玉募，比埔電機(jī)立功和制動(dòng)的過(guò)程中那會(huì)常來(lái)幄大的凡性詠山.電壓瞬變=瞬變膿沖幅值=m.|1 irjinhh-iigavago上耦使用兩項(xiàng)關(guān)犍扭東:去耦屏蔽膜和獨(dú)特的封裝設(shè)計(jì)，具有業(yè)界領(lǐng)先的mr性能一光耦合器的技術(shù)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(jí)與輸出級(jí)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

12、極飽和壓降vce（sat）。此外，在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)間、延遲時(shí)間和 存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)。電流傳輸比是光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來(lái)表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí)，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(shè)計(jì)電路時(shí)，必須遵循下列原則：所選用的光電耦合器件必須符合國(guó)內(nèi)和國(guó)際的有關(guān)隔離擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)；由英國(guó)埃索柯姆（isocom）公司、美國(guó) fairchild生產(chǎn)的4nxx系歹u （如 4n25、4n26、4n35） 光耦合器，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用地十分普遍?？梢杂糜趩纹瑱C(jī)的輸出隔離；所選用的光耦器件必須具 有較高的

13、耦合系數(shù)。 光耦工作原理詳解以一個(gè)簡(jiǎn)單的圖（圖.1 ）說(shuō)明光耦的工作：原邊輸入信號(hào) 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(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，使得副邊的光敏三極管導(dǎo)通，回路vcc rl產(chǎn)生ic,ic 經(jīng)過(guò)rl產(chǎn)生vout,達(dá)到傳遞信號(hào)的目的。原邊副邊直接的驅(qū)動(dòng)關(guān)聯(lián)是 ctr （電流傳輸比），要滿足 ic if*ctr 。圖.1光耦一般會(huì)有兩個(gè)用途：線性光耦和邏輯光耦，工作在開關(guān)狀態(tài)的光耦副邊三極管飽和導(dǎo)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) icif*ctr ,此工作狀態(tài)用于傳遞邏輯開關(guān)

14、信號(hào)。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 vin 成比例，一般用于反饋環(huán)路里面 (1.6v是粗略估計(jì)，實(shí)際要按器件資料，后續(xù) 1.6v同)。n五職m兀柄二蟻已前簸電諦iril 占陋61)電流限制條件ie cik+lfic ienneperaturef ta ( c)從圖中看出，以25度的為基準(zhǔn)，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 c)條件下，8701

15、 的 ctr 最小值是 15%*0.9 = 13.5%(3)原邊電流if影響某一批次的2801 ctr值:i f (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(shí)ctr計(jì)算可參考(以 8701為例)：假設(shè)如果實(shí)際的if是3.4ma,那么如何確定 ctr在if=3.4ma / ta=(-575

16、c)條件下的最小 ctr 值。查看8701的if-ctr曲線。圖中給出了三條曲線，代表抽取了三個(gè)樣品做測(cè)試得到的if-ctr曲線，實(shí)際只需要一個(gè)樣品的曲線即可。forward current li- (ma)注：此圖容易理解為下限/典型/上限三個(gè)曲線，其實(shí)不然。大部分圖表曲線只是一個(gè)相對(duì)關(guān) 系圖，不能圖中讀出絕對(duì)的參數(shù)值。計(jì)算：選用最上面一條樣品曲線，由圖中查出，if=16ma 時(shí) ctr 大概 28%在 if=3.4ma 時(shí) ctr大概在 46% 3.4ma 是 16ma 時(shí)的 46%/28% = 1.64 倍；所以，在 if=3.4ma / (-575 c), ctrt限為 13.5% *

17、 1.64 = 22.2%(4) vce的影響ic,if,vce 關(guān)系曲線: x1 ma0.5 ma5 ma4 ma -由圖表可看出：3 ma2 ma10c。i lecto-mmitter vo tagevce (v)vce必須大于一定電壓，ic才能達(dá)到最大,替代注意：vce在電路應(yīng)用中，保證設(shè)計(jì)有一定的電壓值，否則 般設(shè)計(jì)vc應(yīng)大于3v。(5)壽命影響ctr值才會(huì)大； 設(shè)計(jì)，選型, ic將較小，ctr各較小，-long term ctr degradation example12 ”e.8 4 2 o l0a0tgolol eqe n巨根)hl。if = 1 ma, ia 一if = 5 i

18、tla, 7a 二 k 二 20 ma, a 二if = 20 ma, 7* =10210310410bc c c c25252560i ime (ur)ctr值與工作時(shí)間，工作電流，工作溫度關(guān)系曲線由圖表可看出：工作時(shí)間越長(zhǎng)，ctr值越??；工作溫度越高， ctr值越??； 工作電流越大,ctr值越??；在設(shè)計(jì)選型時(shí)，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(guò)以上影響ctr的因素，離散性、溫度、if、vce壽命，這幾個(gè)因數(shù)綜合起來(lái)，結(jié) 合電路設(shè)計(jì)的功耗，確定 if ,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境確定溫度范圍，確定ctr值的下限。根據(jù)ctr值的下限及傳輸速率要求，確定原邊

19、及副邊的負(fù)載電阻。光耦的傳輸特性前面介紹光耦的參數(shù)時(shí)介紹涉及傳輸特性的幾個(gè)參數(shù)，上升時(shí)間tr (rise time)&下降時(shí)間tf (fall time )，傳輸延遲時(shí)間tphl及tplh。這幾個(gè)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(duì)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(hào)間有個(gè)延遲時(shí)間，部分光藕在使用中將b極與地間加個(gè)電阻來(lái)減少延遲時(shí)間；設(shè)計(jì)，選型，替代注意：在設(shè)計(jì)選型時(shí)，要了解光耦在信號(hào)傳輸時(shí)，有時(shí)間的延遲問(wèn)題，因此選型根據(jù)產(chǎn)品的工作頻率來(lái)選定不同傳輸速率的光耦，部分可通過(guò)調(diào)整電阻來(lái)改變頻率響應(yīng)

20、；、光耦的傳輸延時(shí) tphl及tplh:以8701為例涉及到兩個(gè)參數(shù)：光耦導(dǎo)通延時(shí)tphl 和光耦關(guān)斷延時(shí)tplh ,以8701為例：在 if=16ma/ic=2ma 時(shí)候，導(dǎo)通延時(shí)最大1.2us,關(guān)斷延時(shí)最大 0.8us。所以用8701傳遞500k 以上的開關(guān)信號(hào)就需要不能滿足。下圖是一個(gè)實(shí)測(cè)的延時(shí)波形（ch4原邊（紅），ch2副邊（綠）對(duì)于tp參數(shù)的設(shè)計(jì)更應(yīng)該考慮余量，因?yàn)閠p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(guān)延時(shí)都會(huì)增大。(工io.1)i工cllajuj - l wq ucuegeqqjd pa)z=eeelnnormalized pr

21、opagation delaytime vs. ambient temperatureambient iemperaturet ta ()(2)受原邊if大小影響8701的tp-if特征曲線：if增大，導(dǎo)通延時(shí)減小，關(guān)斷延時(shí)增大。rnq5 1q 152025(翌)工一烏owpa 史 8 匚口一m6edodforward current, if (ma)(3)受副邊ic大小影響8701的tp-rl特征曲線：rl增大，關(guān)斷延時(shí)增大明顯。propagation delay time vsforward current10k1001-load resistance, rl (li)針對(duì)具體電路的特點(diǎn)，計(jì)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(zhǔn)確范圍，然后逐一通過(guò)三個(gè)曲線確定具體電路下的光耦最大延時(shí)。二、光耦的上升時(shí)間 tr (rise tim