光耦知識解析及光耦工作原理-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2021-05-14
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(zhuǎn)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、無觸點，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，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。
光電耦合器分為兩種：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PC817A—C系列。
開關(guān)電源中常用的光耦是線性光耦。如果使用非線性光耦，有可能使振蕩波形變壞，嚴重時出現(xiàn)寄生振蕩，使數(shù)千赫的振蕩頻率被數(shù)十到數(shù)百赫的低頻振蕩依次為號調(diào)制。
由此產(chǎn)生的后果是對彩電，彩顯，VCD，DCD等等，會在圖像畫面上產(chǎn)生干擾。同時電源帶負載能力下降。在彩電，顯示器等開關(guān)電源維修中如果光耦損壞，一定要用線性光耦代換。
常用的4腳線性光耦有PC817A----C。PC111 TLP521等常用的六腳線性光耦有：LP632 TLP532 PC614 PC714 PS2031等。常用的4N25 4N26 4N35 4N36是不適合用于開關(guān)電源中的，因為這4種光耦均屬于非線性光耦。
光耦合器的主要優(yōu)點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。[3]它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號隔離、級間隔離、開關(guān)電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。
當電信號送入光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極體通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE導通；當輸入端無信號，發(fā)光二極體不亮，光敏三極管截止，CE不通。對于數(shù)位量，當輸入為低電平“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽和導通，輸出為低電平“ 0”。若基極有引出線則可滿足溫度補償、檢測調(diào)制要求。這種光耦合器性能較好，價格便宜，因而應(yīng)用廣泛。
光耦工作原理
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(yīng)用。目前它已成為種類最多、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(qū)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(zhuǎn)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，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。
所以，它在長線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(shù)字通信及實時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，副邊回路就會輸出經(jīng)過隔離的信號。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If，If 驅(qū)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(qū)動關(guān)聯(lián)是CTR（電流傳輸比），要滿足 Ic≤If*CTR。
光耦一般會有兩個用途：線性光耦和邏輯光耦，如果理解？
工作在開關(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Ic
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*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，實際要按器件資料，后續(xù) 1.6V 同) 。
對于光耦開關(guān)和線性狀態(tài)可以類比為普通三極管的飽和放大兩個狀態(tài)。
所以通過分析實際的電路，除去隔離因素，用分析三極管的方法來分析光耦是一個很有效的方法。此方法對于后續(xù)分析光耦的CTR參數(shù)，還有延遲參數(shù)都有助于理解。
1、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(shè)Ri=1k,Ro=1k,光耦 CTR=50%，光耦導通時假設(shè)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：Ic’≤ CTR*If = 1.7mA
假設(shè)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，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(qū)動能力小，只能驅(qū)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(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)，所以實際 Ic = 2.9mA。所以，更改 Ri 后，Vout 輸出 3.3V 的方波。
開關(guān)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/If ≤CTR，說明光耦能可靠導通。一般會預(yù)留一點余量（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，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)。 計算導通時，要以下限進行計算，并且保證有余量。計算關(guān)斷時要以上限。
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(shè)如果實際的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。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。
上述CTR影響到信號能不能傳過去的問題，類似于直流特性。下面主要分析光耦的延時特性，即光耦能傳送多快信號。
涉及到兩個參數(shù)：光耦導通延時tplh和光耦關(guān)斷延時tphl，以8701為例 ：在If=16mA/Ic=2mA時候，關(guān)斷延時最大0.8uS，導通延時最大1.2uS。所以用 8701 傳遞 500k以上的開關(guān)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(shè)計更應(yīng)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(guān)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，關(guān)斷延時減小，開通延時增大
3) 受副邊Ic大小影響
8701 的 tp-R L 特征曲線：R L 減小，導通延時增大明顯
針對具體電路的特點，計算最大延時時也是采用與 CTR 一樣的方法，通過器件資料給定特定環(huán)境下的準確范圍，然后逐一通過三個曲線確定具體電路下的光耦最大延時。
注：同一個型號的光耦 CTR/延時特性是一致的，不同光耦的延時特性不盡相同，所以需要根據(jù)所用光耦的用戶手冊來確定。
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