光耦參數(shù)解釋與設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1、光耦參數(shù)解釋1、 正向工作電壓V (forward voltage ) : Vf是指在給定的工作電流下， LED本身的壓降。 常見(jiàn)的小功率LED通常以lf=10mA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、正向電流If：在被測(cè)管兩端加一定的正向電壓時(shí)二極管中流過(guò)的電流。3、反向工作電壓 Vr (reverse voltage :是指原邊發(fā)光二極管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 LED。而一般光耦中，這個(gè)參數(shù)只有 5V左右，在存在反 壓或振蕩的條件下使用時(shí)，要特別注意不要超過(guò)反向電壓。如，在使用交流脈沖驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，需要增加保護(hù)電路。4、 反

2、向電流lr :在被測(cè)管兩端加規(guī)定反向工作電壓Vr時(shí)，二極管中流過(guò)的電流。5、 反向擊穿電壓 Vbr :被測(cè)管通過(guò)的反向電流I r為規(guī)定值時(shí)，在兩極間所產(chǎn)生的電壓降。6、結(jié)電容Cj :在規(guī)定偏壓下，被測(cè)管兩端的電容值。7、 電流傳輸比 CTR(current transfer ratio ):指在直流工作條件下， 光耦的輸出電流與輸入電 流之間的比值。光耦的CTR類(lèi)似于三極管的電流放大倍數(shù)， 是光耦的一個(gè)極為重要的參數(shù)， 它取決于光耦的輸入電流和輸出電流值及電耦的電源電壓值，這幾個(gè)參數(shù)共同決定了光耦工作在放大狀態(tài)還是開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其計(jì)算方法與三極管工作狀態(tài)計(jì)算方法類(lèi)似。若輸入電流、輸出電流、電流傳輸

3、比設(shè)計(jì)搭配不合理，可能導(dǎo)致電路不能工作在預(yù)想的工作狀態(tài)。8、集電極電流lc (collector current):如上圖，光敏三極管集電極所流過(guò)的電流，通常表示其最大值。9、 輸出飽和壓降 VCE(sat):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 < CTRminH( 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。10、 反向擊穿電壓V ( BR)ce。：發(fā)光二極管開(kāi)路，集電極電流Ic為規(guī)定值，集電極與發(fā)射 集間的電壓降。11、反向截止電流Ice。：發(fā)光二極管開(kāi)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。12、C

4、-E飽和電壓 Vce (C-E saturation voltage ):光敏三極管的集電極-發(fā)射極飽和壓降。13、入出間隔離電容 Cio :光耦合器件輸入端和輸出端之間的電容值。14、 入出間隔離電阻:半導(dǎo)體光耦合器輸入端和輸出端之間的絕緣電阻值。15、入出間隔離電壓 Vg :光耦合器輸入端和輸出端之間絕緣耐壓值16、 傳輸延遲時(shí)間Tphl、Tplh :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I FP的脈沖波，輸出端管則輸出相應(yīng)的脈沖波，從輸入脈沖前沿幅度的50%到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(shí)所需

5、時(shí)間為傳輸延遲時(shí)間 TPLH。17、 上升時(shí)間Tr (Rise Time)&下降時(shí)間Tf (Fall Time)，其定義與典型測(cè)試方法如下圖所示， 它們反映了工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的光耦，其開(kāi)關(guān)速度情況。T£ST CJHCUITouTPtnAJiusl If tit pfodux Ic-ZitAWAVE FORWS二：使用光耦隔離需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題 光耦直接用于隔離傳輸模擬量時(shí)，要考慮光耦的非線(xiàn)性問(wèn)題； 光耦隔離傳輸數(shù)字量時(shí)，要考慮光耦的響應(yīng)速度問(wèn)題； 如果輸出有功率要求的話(huà)，還得考慮光耦的功率接口設(shè)計(jì)問(wèn)題。1光電耦合器非線(xiàn)性的克服光電耦合器的輸入端是發(fā)光二極管，因此，它的輸入特性

6、可用發(fā)光二極管的伏安特性來(lái)表示，如圖1b所示；輸出端是光敏三極管， 因此光敏三極管的伏安特性就是它的輸出特性， 如圖1c所示。由圖可見(jiàn)，光電耦合器存在著非線(xiàn)性工作區(qū)域，直接用來(lái)傳輸模擬量時(shí)精度 較差。圖1光電耦合器結(jié)構(gòu)及輸入、輸出特性解決方法之一，利用 2個(gè)具有相同非線(xiàn)性傳輸特性的光電耦合器，T1和T2，以及2個(gè)射極跟隨器A1和A2組成，如圖2所示。如果T1和T2是同型號(hào)同批次的光電耦合器，可以認(rèn)為他們的非線(xiàn)性傳輸特性是完全一致的，即K1(I1)=K2(I1)，則放大器的電壓增益G=UO/U1=I3R3/I2R2=(R3/R2)K1(I1)/K2(I1)=R3/R2。由此可見(jiàn)，利用 T1 和

7、T2 電流傳輸特性的對(duì)稱(chēng)性，利用反饋原理，可以很好的補(bǔ)償他們?cè)瓉?lái)的非線(xiàn)性。圖2光電耦合線(xiàn)性電路另一種模擬量傳輸?shù)慕鉀Q方法，就是采用VFC(電壓頻率轉(zhuǎn)換)方式，如圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)變送器輸出模擬量信號(hào)（假設(shè)電壓信號(hào)），電壓頻率轉(zhuǎn)換器將變送器送來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈 沖序列，通過(guò)光耦隔離后送出。 在主機(jī)側(cè)，通過(guò)一個(gè)頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將脈沖序列還原成模 擬信號(hào)。此時(shí)，相當(dāng)于光耦隔離的是數(shù)字量，可以消除光耦非線(xiàn)性的影響。這是一種有效、 簡(jiǎn)單易行的模擬量傳輸方式。圖3 VFC方式傳送信號(hào)當(dāng)然，也可以選擇線(xiàn)性光耦進(jìn)行設(shè)計(jì)，如精密線(xiàn)性光耦TIL300，高速線(xiàn)性光耦6N135/6N136。線(xiàn)性光耦一般價(jià)格比普通光耦高

8、，但是使用方便，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；隨著器件價(jià)格的下降，使用線(xiàn)性光耦將是趨勢(shì)。2提高光電耦合器的傳輸速度當(dāng)采用光耦隔離數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，光電耦合器的傳輸特性，即傳輸速度，往往成為系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)傳輸速率的決定因素。在許多總線(xiàn)式結(jié)構(gòu)的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，為了防止各模塊之間的相互干擾，同時(shí)不降低通訊波特率， 我們不得不采用高速光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊之間的相互隔離。常用的高速光耦有6N135/6N136，6N137/6N138。但是，高速光耦價(jià)格比較高，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本提高。這里介紹兩種方法來(lái)提高普通光耦的開(kāi)關(guān)速度。由于光耦自身存在的分布電容，對(duì)傳輸速度造成影響， 光敏三極管部存在著分布電容Cbe和Cce,如圖4所示。

9、由于光耦的電流傳輸比較低，其集電極負(fù)載電阻不能太小，否則輸出 電壓的擺幅就受到了限制。但是，負(fù)載電阻又不宜過(guò)大，負(fù)載電阻RL越大，由于分布電容的存在，光電耦合器的頻率特性就越差，傳輸延時(shí)也越長(zhǎng)。圖4光敏三極管部分布電容用2只光電耦合器T1，T2接成互補(bǔ)推挽式電路，可以提高光耦的開(kāi)關(guān)速度，如圖5所示。當(dāng)脈沖上升為“ 1”電平時(shí)，T1截止，T2導(dǎo)通。相反，當(dāng)脈沖為“ 0”電平時(shí)，T1導(dǎo) 通，T2截止。這種互補(bǔ)推挽式電路的頻率特性大大優(yōu)于單個(gè)光電耦合器的頻率特性。圖52只光電耦合器構(gòu)成的推挽式電路此外， 在光敏三極管的光敏基極上增加正反饋電路， 這樣可以大大提高光電耦合器的開(kāi) 關(guān)速度。如圖 6 所示

10、電路，通過(guò)增加一個(gè)晶體管，四個(gè)電阻和一個(gè)電容，實(shí)驗(yàn)證明，這個(gè)電 路可以將光耦的最大數(shù)據(jù)傳輸速率提高 10 倍左右。圖6 通過(guò)增加光敏基極正反饋來(lái)提高光耦的開(kāi)關(guān)速度3 光耦的功率接口設(shè)計(jì)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中， 經(jīng)常要用到功率接口電路， 以便于驅(qū)動(dòng)各種類(lèi)型的負(fù)載， 如直流伺服 電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、各種電磁閥等。這種接口電路一般具有帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出電流大、工作 電壓高的特點(diǎn)。 工程實(shí)踐表明， 提高功率接口的抗干擾能力， 是保證工業(yè)自動(dòng)化裝置正常運(yùn) 行的關(guān)鍵。就抗干擾設(shè)計(jì)而言， 很多場(chǎng)合下， 我們既能采用光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng)， 也能采用繼電器 隔離驅(qū)動(dòng)。 一般情況下， 對(duì)于那些響應(yīng)速度要求不很高的啟停操作， 我

11、們采用繼電器隔離來(lái) 設(shè)計(jì)功率接口； 對(duì)于響應(yīng)時(shí)間要求很快的控制系統(tǒng)， 我們采用光電耦合器進(jìn)行功率接口電路 設(shè)計(jì)。這是因?yàn)槔^電器的響應(yīng)延遲時(shí)間需幾十ms,而光電耦合器的延遲時(shí)間通常都在10us之，同時(shí)采用新型、 集成度高、 使用方便的光電耦合器進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)，可以達(dá) 到簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低散熱的目的。圖 7 是采用光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載的典型電路。 因?yàn)槠胀ü怆婑詈掀鞯碾娏鱾鬏敱?CRT 非常小，所以一般要用三極管對(duì)輸出電流進(jìn)行放大，也可以直接采用達(dá)林頓型光電 耦合器（見(jiàn)圖8）來(lái)代替普通光耦 T1。例如東芝公司的4N30。對(duì)于輸出功率要求更高的場(chǎng)合， 可以選用達(dá)林頓晶體管來(lái)替代普通三

12、極管，例如 ULN2800 高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系 列產(chǎn)品，它的輸出電流和輸出電壓分別達(dá)到 500mA 和 50V。圖 7 光電隔離，加三極管放大驅(qū)動(dòng)圖8 達(dá)林頓型光電耦合器對(duì)于交流負(fù)載， 可以采用光電可控硅驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)， 例如 TLP541G， 4N39。光電可控硅驅(qū)動(dòng)器， 特點(diǎn)是耐壓高， 驅(qū)動(dòng)電流不大，當(dāng)交流負(fù)載電流較小時(shí)，可以直接用它10所示。其中,來(lái)驅(qū)動(dòng)，如圖9所示。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，可以外接功率雙向可控硅，如圖R1為限流電阻，用于限制光電可控硅的電流；R2為耦合電阻，其上的分壓用于觸發(fā)功率雙向可控硅。圖9小功率交流負(fù)載圖10大功率交流負(fù)載當(dāng)需要對(duì)輸出功率進(jìn)行控制時(shí)，可以采用光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器，例如MOC3010。圖11為交流可控驅(qū)動(dòng)電路，來(lái)自微機(jī)的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器T1隔離，控制雙向可控硅T2的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)交流負(fù)載的功率控制。圖11交流可控電路圖12為交流電源輸出直流可控電路