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(xiě)為OC）亦稱(chēng)光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱(chēng)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(xiàn)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(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(xiàn)了“電光電”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。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。光耦的分類(lèi)： （1）光電耦合器分為

2、兩種：一種為非線(xiàn)性光耦，另一種為線(xiàn)性光耦。 非線(xiàn)性光耦的電流傳輸特性曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，這類(lèi)光耦適合于開(kāi)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(xiàn)性光耦。 線(xiàn)性光耦的電流傳輸特性曲線(xiàn)接近直線(xiàn)，并且小信號(hào)時(shí)性能較好，能以線(xiàn)性特性進(jìn)行隔離控制。常用的線(xiàn)性光耦是PC817AC系列。（2） 常用的分類(lèi)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(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(mén)電路輸出型，其中包括門(mén)電路輸出型，施密特觸發(fā)輸出型，三態(tài)門(mén)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(kāi)關(guān)輸出型（導(dǎo)通電阻小于10）。 g、功率輸出型（IGBT/MOSFET等輸出）。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

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(huì)很小，只能形成很微弱的電流，由于沒(méi)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(méi)有電氣聯(lián)系，也沒(méi)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(xiàn)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)間只

5、有10s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(jiàn)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(jiàn)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LED。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）通常指在最大反向電壓

6、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LED。（5）中心波長(zhǎng)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，并降低LED的衰減，提高系統(tǒng)長(zhǎng)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(dǎo)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(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(shū)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。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(lèi)似。常見(jiàn)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(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

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(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。（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(shí)，并保持IC/IFCTRmin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

9、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%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。（3）傳輸延遲時(shí)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(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)所需時(shí)間為傳輸延遲時(shí)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(dǎo)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(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

11、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4N系列（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

12、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(mǎn)足IcIf*CTR。 圖.1光耦一般會(huì)有兩個(gè)用途：線(xiàn)性光耦和邏輯光耦，工作在開(kāi)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(kāi)關(guān)信號(hào)。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*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(jì)，實(shí)際要按器件資料，后續(xù)1.6V同)。光耦CTR詳解概要：對(duì)于工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的光耦要保證光耦導(dǎo)通時(shí)CTR有一定余量；CTR受多個(gè)因素影響。 一、光耦能否可靠導(dǎo)通實(shí)際計(jì)算舉例分析，例如圖.1中的光耦電路，假設(shè)Ri=1k,Ro=1k,光耦CTR=50%，光耦導(dǎo)通時(shí)假設(shè)二極管壓降為1.6V，副邊三極管飽和導(dǎo)通壓降Vce=0.4V。輸入信號(hào)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：IcCTR*If=1.7mA假設(shè)副邊要飽和導(dǎo)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(dǎo)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(qū)動(dòng)能力小，只能驅(qū)動(dòng)1.7mA的電流，所以光耦會(huì)增大副邊三極管的導(dǎo)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(duì)應(yīng)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(shè)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(jì)算：If=(Vi1.6V)/Ri=17mA；副邊電流限制IcCTR*If=8

15、.5mA，遠(yuǎn)大于副邊飽和導(dǎo)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(jì)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(shù)做比較，如果Ic/IfCTR，說(shuō)明光耦能可靠導(dǎo)通。一般會(huì)預(yù)留一點(diǎn)余量（建議小于CTR的90%）。二、CTR受那些因素影響上一節(jié)說(shuō)到設(shè)計(jì)時(shí)要保證一定CTR余量。就是因?yàn)镃TR的大小受眾多因素影響，這些因素之中既有導(dǎo)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(cè)上一般給的都是If=5mA時(shí)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(shí)，范圍是(15%35%)說(shuō)明8701這個(gè)型號(hào)的光耦，不論何時(shí)/何地，任何批次里的一個(gè)樣品，只要在

17、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)?nèi)。因此計(jì)算開(kāi)關(guān)光耦的導(dǎo)通時(shí)，要以下限進(jìn)行計(jì)算，并且保證有余量。計(jì)算關(guān)斷時(shí)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(huì)工作在（-575）下，此種情況下 CTR 怎么確定？還是看 8701 的手冊(cè)：有 Ta-CTR 關(guān)系圖：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)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(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)條件下的最小CTR 值。查看 8

19、701 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(cè)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。注：此圖容易理解為下限/典型/上限三個(gè)曲線(xiàn)，其實(shí)不然。大部分圖表曲線(xiàn)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(xiàn)，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)，CTR下限為13.5% * 1.64 = 22.2%（4） VCE的影響Ic,If,Vce關(guān)系曲線(xiàn)：由圖表可看出：Vce必須大于

20、一定電壓，Ic才能達(dá)到最大，CTR值才會(huì)大； 設(shè)計(jì)，選型，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Ic將較小，CTR將較小，一般設(shè)計(jì)Vc應(yīng)大于3V。（5） 壽命影響 CTR值與工作時(shí)間，工作電流，工作溫度關(guān)系曲線(xiàn)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(shū)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

21、及傳輸速率要求，確定原邊及副邊的負(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

22、過(guò)調(diào)整電阻來(lái)改變頻率響應(yīng)；一、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(kāi)關(guān)信號(hào)就需要不能滿(mǎn)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)?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(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，導(dǎo)通延時(shí)減小，關(guān)斷延時(shí)增大。（3） 受副