光耦合器的技术特性与应用

2022-04-02 14:52分类：电子元器件阅读：

1.简述

　　光耦合器（opTIcal coupler，英文简写为OC）亦称光学隔离器，通称光电耦合器。光耦合器以光为媒体传送电子信号。它对键入、輸出电子信号有优良的隔离作用，因此，它在各种各样线路中获得普遍的运用。现阶段它已变成类型数最多、主要用途最广泛的半导体材料之一。光耦合器一般由三部份构成：光的发送、光的传输及数据信号变大。键入的电子信号推动发光二极管（LED），使之传出一定光波长的光，被光探测仪接受而造成光电流，再历经进一步变大后輸出。这就完成了电—光—电的变换，进而具有键入、輸出、隔离的作用。因为光耦合器I/O间相互之间防护，电子信号传送具备不可逆性等特性，因此有着优良的绝缘工作能力和抗干扰性。又因为光耦合器的键入端归属于电流量型工作中的低阻元器件，因此具备较强的共模抑止工作能力。因此，它在中长线传送信息内容中做为终端设备防护元器件能够大幅提高频率稳定度。在电子计算机数字通信系统及实时处理中做为数据信号防护的插口元器件，能够大大增加电子计算机运行的稳定性。

　　光耦合器的具体优势是：数据信号单边传送，键入端与輸出端彻底达到了电气隔离防护，輸出数据信号对键入端无危害，抗干扰性强，工作中平稳，无触点开关，使用期限长，传送高效率。光耦合器是70年代发展趋势起來产新式元器件，已经普遍用作电气设备绝缘层、脉冲信号变换、级间藕合、光耦电路、电路、斩波器、多谐振荡器、数据信号防护、级间防护、单脉冲运算放大器、数据仪表盘、长距离数据信号传送、单脉冲变大、中间继电器(SSR)、仪表设备、通讯设备及微型机插口中。在片式开关电源电路中，运用线形光耦合器可组成光电耦合器集成运放电路，根据调整操纵端电流量来转变pwm占空比，做到高精密稳压管目地。

　　十几年来，新式光耦合器层出不穷，达到了各种各样光操纵的规定。其运用标准已拓展到计测仪器，仪器仪表，工业级仪表仪器，电子计算机以及外围设备、通讯机、铁路信号机和路面情报组织，电力机械等行业。这儿偏重于详细介绍该元件的工作中特点，推动和输入输出电源电路及一部分具体运用电源电路。近些年推出的线形光耦合器可以传送持续改变的模仿工作电压或仿真模拟电流量数据信号，使其主要用途大幅扩宽。下边分別详细介绍光耦合器的原理及检验方式。

2. 光耦合器的功能及种类

　　用以传送脉冲信号的光耦合器的发亮元器件为二极管、光信号接收器为光敏三极管。当有工作电流根据发光二极管时，便产生一个灯源，该灯源照射光敏三极管表层上，使光敏三极管造成集电结电流量，该电流量的尺寸与阳光照射的高低，亦即穿过二极管的正面工作电流的多少正相关。因为光耦合器的键入端和輸出端中间根据光信号灯不亮来传送，因此两部位中间在电气设备上彻底防护，沒有电子信号的报告和影响，故特性平稳，抗干扰性强。发光二极管和感光管中间的滤波电容小（2pf上下）、抗压高(2.5KV上下)，故共模抑制比很高。键入和輸出间的电隔离度在于两一部分供电系统开关电源间的接地电阻。除此之外，因其输入电阻小（约10Ω），对高内电阻源的噪音等同于被接线。因而，由光耦合器组成的脉冲信号防护电源电路具备良好的电器设备特性。

　　实际上，光耦合器是一种由光电流操纵的电流量迁移元器件，其频率特性与一般双极型晶体三极管的频率特性类似，因此还可以将其做为一般放大仪立即组成仿真模拟运算放大器，而且键入与輸出间可完成电防护。殊不知，这类运算放大器的运行可靠性较弱，无实际意义。归根结底首要有二点：一是光耦合器的线形工作中范畴窄小，且随环境温度改变而转变；二是光耦合器共发射极电流量传送指数β和集电结反方向饱和电流ICBO(即暗电流)受环境温度改变的危害显著。因而，在具体运用中，除应取用线形范畴宽、线性高的光耦合器来完成脉冲信号防护外，还必需在线路上采取相应对策，尽可能清除溫度改变对运算放大器运行状态的危害。

　　从光耦合器的迁移特点与溫度的相互关系能够看得出，若使光耦合器组成的仿真模拟防护电源电路平稳好用，则应尽可能清除暗电流（ICBO）的危害，以提升线性，保证静态工作点IFQ随环境温度的变动而自行调节，以使輸出数据信号维持对称，使键入讯号的采样率随环境温度改变而自行转变，以相抵β值随环境温度改变的危害，确保电源电路运行状态的可靠性。

2.1光耦合器的种类

　　光耦合器有列管式、调心轴承直插接式和光导式等封培养方式，其类型达数十种。光耦合器的类型达数十种，关键有通用性（又分无基极导线和基极导线二种）、达林顿管型、哈里斯型、快速型、光集成电路芯片、光化学纤维、感光可控硅型（又分单边可控硅、双向晶闸管）、感光场效管型。除此之外也有双通道内存式（內部有两个对管）、功率放大型、交-直流电键入型这些。海外生产商有美国ISOCOM企业等，中国生产厂家的苏州市半导体材料总公司等。

2.2线形光耦合器的产品类别

　　线形光耦合器的常见商品及基本参数见表1，这种光电耦合器均以光敏三极管做为接受管。

表1典型性线形光耦合器的基本参数

产品规格 CTR/% V（BR）CE0/V 生产厂家封裝形式

PC816A 80～160 70 Sharp DZP-4基极未引出来

PC817A 80～160 35 Sharp

SFH610A-2 63～125 70 simens

NEC2501-H 80～160 40 NEC

CNY17-2 63～125 70 Motoroln DZP-4基极未引出来

CNY17-3 100～200 70 simens

SFH600-1 63～125 70 simens

SFH600-2 100～200 70 simens

CNY75GA 63～125 90 Temic DZP-4基极未引出来

CNY75GB 100～200 90 Temic

MOC8101 50～80 30 Motoroln

MOC8102 73～117 30 Motoroln

3.光耦合器的性能参数

　　光耦合器的性能参数具体有发光二极管正方向损耗VF、正方向电流量IF、电流量传送比CTR、键入级与輸出级中间的接地电阻、集电结-发射极反方向击穿电压V(BR)CEO、集电结-发射极饱和状态损耗VCE(sat)。除此之外，在传送模拟信号时还需考虑到增益值、上升幅度、时间延迟和储存時间等主要参数。

　　最重要的主要参数是电流量放大系数传送比CTR（Curremt-Trrasfer RaTIo）。一般用直流电流传送比以表明。当输出电压维持稳定时，它相当于直流电輸出电流量IC与直流电键入电流量IF的百分数。当接受管的电流量放大系数HFE为参量时，它相当于輸出电流量IC比例，一般用百分比来表明。有公式计算：

CTR=IC/ IF&TImes;100% 。选用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范畴大多数为20%～30%（如4N35），而PC817则为80%～160%，达林顿管型光耦合器（如4N30）可以达到100%～500%。这说明欲得到相同的输入输出电流量，后面一种只需较小的键入电流量。因而，CTR主要参数与晶体三极管的hFE有某类共同之处。一般光耦合器的CTR-IF特点曲线图呈离散系统，在IF较钟头的非线性失真尤其比较严重，因而它不宜传送脉冲信号。线形光耦合器的CTR-IF特点曲线图具备优良的线性，特别是在传送小数据信号时，其交流电路传送比(ΔCTR＝ΔIC/ΔIF)很贴近于直流电流传送比CTR值。因而，它合适传送仿真模拟工作电压或电流量数据信号，能使輸出与键入中间呈线性相关。这也是其关键特点。在设计方案光电耦合器意见反馈式开关电源电路时需要合理挑选线形光耦合器的规格及主要参数，选择标准以下：

（1）光耦合器的电流量传送比(CTR)的容许标准是50%～200%。这主要是因为当CTR＜50%时，光电耦合器中的LED就必须很大的工作中电流量(IF＞5.0mA)，才可以一切正常操纵片式开关电源电路IC的pwm占空比，这会扩大光电耦合器的功能损耗。若CTR＞200%，在起动线路或是当负荷产生转变时，有可能将片式开关电源电路误开启，危害一切正常輸出。

（2）强烈推荐选用线形光耦合器，其优点是CTR值可以在一定区域内做线形调节。

（3）由美国埃索柯姆(Isocom)企业、英国摩托罗拉公司制造的4N&TImes;×系列产品(如4N25、4N26、4N35)光耦合器，现阶段在我国运用地十分广泛。由于该类光耦合器展现电源开关特点，其线性差，适合传送模拟信号(高、低电频)，因而不强烈推荐用在开关电源电路中。

4.通用性与达林顿管型光耦合器区别

4.1方式之一

　　在通用性光耦合器中，信号接收器是一只硅光学半导体材料管，因而在B-E中间只有一个硅PN结。达林顿管型要不然，它由钢丝网骨架组成，2个硅PN结串连成钢丝网骨架的发射结。依据上述区别，非常容易将通用性与达林顿管型光耦合器区别起来。具体做法是，将数字万用表拨至R×100档，黑电笔接B极，红直流电流表接E极，选用载入工作电压法求出发射结正方向工作电压VBE。若VBE=0.55～0.7V，便是达林顿管型光耦合器。

案例：用500型数字万用表的R×100档各自精确测量4N35、4N30型光耦合器的VBE，精确测量数据信息及结果一并纳入表2中。

　　　　　　　　　　　　　　　　　表2检测結果

型号规格 RBE（Ω） n`（格） VBE（V）计算方法检测结果

4N35 850 23 0.69 VBE=0.03n（V）通用性

4N30 4.3k 40.5 1.215 VBE=0.03n`（V）达林顿管型

4.2方式之二

　　通用性与达林顿管型光学耦合电路的关键差别是接受管的电流量放大系数不一样。前面一种的hFE为几十倍至十几倍，后面一种可以达到数千倍，二者相距1～2个量级。因而，只需精确精确测量出hFE值，就可以区别。在精确测量时要常见问题：

（1）由于达林顿管型光耦合器的hFE值很高，因此表杆2次偏移格数十分贴近。精确读取n1、n2的格数是本方式根本所在，不然将造成很大的偏差。除此之外，欧母零点亦应事前调准。

（2）若4N30中的发射管毁坏，但接受管未看到常见故障，则可替代超β管应用。同样，假若4N35中的接受管完好无缺，也能作一般硅NPN晶体三极管应用，完成变废为宝。

（3）针对无基极导线的通用性及达林顿管型光耦合器，本方式不会再可用。提议选用测电流量传送比CTR的办法多方面区别。