光耦合器的工作原理-光耦合器的参数知识和特性

光耦合器的工作原理-光耦合器的参数知识和特性

光耦合器说明

这是一种使用光作为媒介传输电信号的设备. 通常，光发射器（红外发光二极管LED）和光（光敏半导体管，光敏电阻）包装在同一包装中. 当输入端子通电时，发光器发光，并且受光器在接收到从输出端流出的光之后产生光电流，从而实现“电-光-电”转换. 使用光作为介质将输入信号耦合到输出端子的光电耦合器. 由于其体积小，寿命长，无接触，抗干扰能力强，输出与输入之间的绝缘，信号的单向传输等优点，在数字电路中得到了广泛的应用.

光耦合器的工作原理

耦合器使用光作为媒介来传输电信号. 它对输入和输出电信号具有良好的隔离性，因此广泛用于各种电路中. 目前，它已经成为最多样化和的光电器件之一. 光耦合器通常由三个部分组成: 发光，光接收和信号放大. 输入的电信号驱动发光二极管（LED）发出一定波长的光，该光被光电探测器接收以产生光电流，然后将其放大并输出. 这样就完成了电光电转换，从而充当输入，输出和隔离. 由于光耦合器的输入和输出相互隔离，因此电信号传输具有单向性等特点，因此具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力.

因此，作为信息的长线传输中的终端隔离元素，它可以大大提高信噪比. 作为计算机数字通信和实时控制中的信号隔离接口设备，可以大大提高计算机工作的可靠性. 而且，由于光耦合器的输入端属于以电流模式工作的低阻抗组件，因此它具有很强的共模抑制能力.

对光耦合器参数知识的了解

（1）了解光耦合器

光耦合器是一种隔离的传输设备. 如果给原边信号，则副边回路将输出隔离信号. 光耦合器的隔离很容易理解，这里不再讨论.

一个简单的图（图1）说明了光耦合器的操作: 主要输入信号Vin，输入电流If施加到主要发光二极管，Ri产生光耦合器输入电流If，If驱动光-发光二极管，使其成为辅助. 一侧的光电晶体管导通，环路VCC和RL产生Ic，Ic通过RL产生Vout，以达到传输信号的目的. 初级和次级之间的直接驱动关系是CTR（电流传输比），必须满足Ic≤If* CTR.

光耦合器通常有两种用途: 线性光耦合器和逻辑光耦合器. 你懂吗？

处于开关状态的光耦合器次级侧晶体管饱和并导通. 管电压降<0.4V，Vout大约等于Vcc（约Vcc-0.4V），Vout的大小仅受Vcc的大小影响. 此时Ic

光耦合器工作性状态，Ic =如果* CTR，则次级晶体管的压降等于Vcc-Ic * RL，Vout = Ic * RL =（Vin-1.6V）/ Ri * CTR * RL， Vout的大小直接与Vin成正比，通常用于反馈环路（1.6V是一个粗略的估计. 实际上，它应基于器件数据，而随后的1.6V相同）.

对于光耦合器的开关和线性状态，可以将其模拟为普通三极管的饱和放大的两种状态.

因此光耦的工作原理，通过分析实际电路，去除隔离因子并通过分析三极管来分析光耦合器是一种非常有效的方法. 该方法有助于后续分析光耦合器的CTR参数和延迟参数.

（2）光耦合器CTR

1. 光耦合器能否可靠开启的实际计算

例如，以图1中的光耦合器电路为例进行分析，假设Ri = 1k，Ro = 1k，光耦合器CTR = 50％，当光耦合器导通时，二极管的压降假定为1.6V，次级晶体管饱和. 压降Vce = 0.4V. 输入信号Vi是5V的方波，输出Vcc是3.3V. Vout可以得到3.3V方波吗？

让我们计算一下: 如果=（Vi-1.6V）/Ri=3.4mA

次级侧电流限制: Ic’≤ CTR * If = 1.7mA

假定次级侧饱和并导通，则Ic'=（3.3V – 0.4V）/ 1k = 2.9mA，大于电流通道限制，因此，导通时，Ic将限制为1.7光耦合器产生的mA为Vout = Ro * 1.7mA = 1.7V，因此次级侧获得1.7V的方波.

为什么没有得到3.3V方波，可以理解为图1. 光耦合器电路的电流驱动能力很小，只能驱动1.7mA的电流，因此光耦合器会增加导通电压降次级晶体管的输出，以将次级电流限制为1.7mA.

解决方案: 增加If；增加点击率；降低Ic. 相应的措施是: 降低Ri的电阻；更换大型CTR光耦合器；增加Ro的电阻.

稍微优化上述参数，假设Ri增加到200欧姆，所有其他条件保持不变，Vout能否获得3.3V的方波？

重新计算: 如果=（Vi–1.6V）/ Ri = 17mA；次级电流限制Ic'≤CTR * If = 8.5mA，这比次级侧饱和导通所需的电流（2.9mA）大得多，因此实际Ic = 2.9mA. 因此，更改Ri后，Vout将输出3.3V的方波.

处于开关状态的光耦合器. 在实际计算中，通常将电路正常工作所需的最大Ic与一次侧提供的最小If之间的Ic / If之比与光耦合器的CTR参数进行比较. 如果Ic /如果≤CTR，则表示光耦合器可以可靠地导通. 通常保留少量利润（建议少于CTR的90％）.

2. 点击率受这些因素的影响

1）光耦合器本身: 以8701为例，当CTR为Ta = 25℃/ If = 16mA时，范围为（15％〜35％）

表明8701光耦合器，无论何时何地，只要在Ta = 25℃/ If = 16mA的条件下CTR为一定值，就可以确定任何批次的样品，且在15％〜35％以内. 在计算连续性时，应进行下限计算并保证余量. 计算关闭次数时应使用上限.

2）外壳温度的影响:

CTR的下限是在Ta = 25℃的条件下确定的，但通常产品中的温度范围相对较大. 例如，光耦合器将在（-5〜75℃）下工作. 在这种情况下如何确定点击率？仍然看一下8701的手册: 有一个Ta-CTR图:

从图中可以看出，在25度下，在其他条件下，-5度下的CTR约为25度下的CTR的75倍，而在75度下的最小值与25度下的CTR相同.

因此，在16mA /（-5〜75℃）下，8701的最低CTR为15％* 0.9 = 13.5％

3）受If影响.

假设实际If为3.4mA，那么如何在If = 3.4mA / Ta =（-5〜75℃）的情况下确定最小CTR值.

检查8701的If-CTR曲线. 图中给出了三条曲线，它们代表通过采集三个样本进行测试获得的If-CTR曲线. 实际上，只需要一条样本曲线.

（3）光耦合器的延迟时间

与DC特性类似，上述CTR影响过去是否可以传输信号. 下面主要分析光耦合器的延迟特性，即光耦合器能够以多快的速度传输信号.

涉及两个参数: 光耦合器开启延迟tplh和光耦合器关闭延迟tphl，以8701为例: 如果If = 16mA / Ic = 2mA，则关闭延迟最大为0.8uS，开启延迟最大时间为1.2uS. 因此，仅使用8701来传输500k以上的开关信号是不够的.

下图是测得的延迟波形（ch4初级侧（红色），ch2次级侧（绿色））

在设计tp参数时，应考虑裕度，因为tp参数还受其他因素的影响.

1）受温度影响

8701的Ta-If特性曲线: 当温度升高时，切换延迟将增加.

2）受原始If大小的影响

8701 tp-如果特性曲线: 如果增大，则关闭延迟减小，接通延迟增大

3）受次级侧Ic大小的影响

8701 tp-RL特性曲线: R L减小，传导延迟显着增加

根据特定电路的特性，最大延迟的计算方法与CTR相同. 通过器件数据给出特定环境下的精确范围，然后通过三个曲线一一确定特定电路下光耦合器的最大延迟.

注: 相同类型的光耦合器的CTR /延迟特性是一致的，不同光耦合器的延迟特性并不相同，因此需要根据所用光耦合器的用户手册来确定.

光耦合器的结构特征

光耦合器的主要特征如下:

1. 输入输出端子之间的绝缘，绝缘电阻一般大于10000MΩ，耐压一般可以超过1kV，有的甚至可以达到10kV以上.

2. 因为光只能接收光源的信息，反之亦然，所以当信号从光源单向传输到光时，信号将不会反馈，并且其输出信号不会影响输入端子.

3. 由于发光器件（GaAs红外二极管）是阻抗电流驱动器件，而噪声是高内阻微电流电压信号. 因此，光耦合器器件的共模抑制比非常大. 因此，光耦合器件可以抑制干扰并很好地消除噪声.

4. 易于与逻辑电路配合.

5. 响应速度快. 光耦合器件的时间常数通常为毫秒甚至微秒.

6. 无接触，寿命长，体积小，耐冲击.

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