光电耦合器原理及应用介绍

2022-05-28 10:19分类：电子元器件阅读：

光耦合器基本原理及使用详细介绍

一、 光耦合器基本原理及构成

1，基本原理。光耦合器，一般统称为光电耦合器。其基本概念是以光做为媒体，来传递电子信号。在一些特别的运用场所，会规定键入/輸出端完成电气隔离，那样就无法采用传统式的电子元器件来传递电子信号，光电耦合器恰好是为了更好地满足如此的场所而问世。光电耦合器的键入端选用发光二极管，用电子信号推动半导体材料放光元器件发亮（一般为红外线），而协调器是感光管，将接受到的光信号灯不亮，变换为信号輸出。根据电->光->电的变换，既能够传送数据信号，又完成了电气隔离的目地。如下图：

2，构成。为完成电->光变换，必须发光二极管；而光->的变换，则必须感光管；为清除外部光的影响，一般是将推送/协调器用遮光的原材料封裝起來，将键入/輸出PIN串接；而为了更好地保持高的电气隔离抗压强度，则规定封裝原材料有高的绝缘电阻抗压强度。因此一般光电耦合器元器件由下列几部份构成：发光二极管、感光管（一般是光敏三极管）、封裝原材料、键入/輸出PIN。如下图是某光电耦合器的X-ray相片：

二、 光耦合器的生产制造

光电耦合器一般选用DIP或SMD封裝，具体的生产流程将红外线LED、硅光敏三极管封裝起來，并生成键入/輸出脚位，这一流程与IC封裝相近，不同点取决于其选料及重要加工工艺操纵。一般光电耦合器的生产流程以下：

瓷器底座制做→厚膜电源电路制做→集成ic(IR LED、PD和ASIC)检测→集成ic煅烧电弧焊接→中测→藕合指向→装架→封裝→测漏→中测→脆化挑选→末测。

依据生产流程，业内根据对光电耦合器生产制造中欠佳品的解剖学剖析，融合光电耦合器本身特性，汇总了一些危害光电耦合器稳定性的加工工艺要素：
1.银胶对稳定性危害
装架选用银浆粘片加工工艺，能够达到集成ic有不错欧姆接触，较低正方向损耗，但不一样知名品牌银胶与各种各样芯片材料及支撑架粘结性不一样，存储及使用期限也差距许多。错误操作会导致集成ic与支撑架粘接不稳固危害键合乃至造成掉片。
2.手工制作装架、键合品质对稳定性危害
因为红外线集成ic宽度都仅有0.3mm，且原材料易破碎。因此手工制作装架非常容易发生产品质量问题，因此一般使用全自动装架键合机。
3.内包裹、注塑加工外包裹对稳定性危害
光电耦合器以内包裹自动点胶机时，针管遇到金絲会在胶体溶液中造成空焊、断丝、倒丝等异常状况。因为内包裹原材料延展性好，欠佳品难以挑选整洁，危害商品稳定性。此外，内包裹原材料与塑封膜料热配对差别很大，外包裹后二者融合并不十分密切。因为光电耦合器构造上塑封膜体与支撑架粘接一部分较小，封裝粘模的时候会使杂带形变，因为起模时塑封膜体內部尚末彻底干固，承受力后会形成间隙，造成引脚松脱，导致内导线在柔性线路板处扯断空焊，产生时断时续性引路。因此挑选融合较好的塑封膜料和柔性线路板，改善加工工艺方式避免封裝时扯断内导线，就可以提升商品密闭性和元器件可靠性。

光耦合器主要参数释意

光电耦合器的性能参数可分成键入特点、频率特性、传送特点、防护特点等几绝大多数。

3.1 键入特点

光电耦合器的键入特点具体也就是其內部发光二极管的特点。普遍的主要参数有：

1. 正方向工作中电流量If（Forward Current）

If就是指LED一切正常发亮时需穿过的正方向电流。不一样的LED，其容许穿过的最大的电流量也会不一样。

2. 正方向单脉冲工作中电流量Ifp（Peak Forward Current）

Ifp就是指穿过LED的正方向浪涌电流值。为确保使用寿命，一般会选用单脉冲方式来推动LED，一般LED说明书中给中的Ifp是以0.1ms脉冲宽度,pwm占空比为1/10的浪涌电流来估算的。

3. 正方向工作标准电压Vf（Forward Voltage）

Vf就是指在给出的工作中电流量下，LED自身的损耗。普遍的小输出功率LED一般以If=20mA来检测正方向工作标准电压，自然不一样的LED，检测标准和检测效果也会不一样。

4. 反方向工作电压Vr（Reverse Voltage ）

就是指LED能够承担的最高逆向工作电压，超出此反方向工作电压，很有可能会毁坏LED。在应用沟通交流单脉冲推动LED时，要需注意不必超出反方向工作电压。

5. 反方向电流量Ir（Reverse Current）

一般指在较大逆向工作电压状况下，穿过LED的方向电流量。

6. 容许功能损耗Pd（Maximum Power Dissipation）

LED能够承担的最高功能损耗值。超出此功能损耗，很有可能会毁坏LED。

7. 管理中心光波长λp（Peak Wave Length）

就是指LED所传出光的核心光波长值。光波长立即决策光的颜色，针对两色或混色LED，会有哪些不一样的核心光波长值。

3.2 频率特性

光电耦合器的键入特点具体也就是其內部光敏三极管的特点，与一般的三极管相近。普遍的主要参数有：

1. 集电结电流量Ic（Collector Current）

光敏三极管集电结所穿过的电流量，一般表明其最高值。

2. 集电结-发射极工作电压Vceo（C-E Voltage）

集电结-发射极能够承担的工作电压。

3. 发射极-集电结工作电压Veco（E-C Voltage）

发射极-集电结能够承担的工作电压

4. 反方向截至电流量Iceo

发光二极管引路，集电结至发射极间的工作电压为标准值时，穿过集电结的电流为反方向截至电流量。

5. C-E饱和状态工作电压Vcd(sat)（C-E Saturation Voltage）

发光二极管工作中电流量IF和集电结电流量IC为标准值时，并维持IC/IF≤CTRmin时（CTRmin在被测管技术性标准中要求）集电结与发射极相互间的电流。

3.3 传送特点：

1．增益值Tr （Rise Time）& 上升幅度Tf（Fall Time）

光耦合器在要求工作中情况下，发光二极管键入要求电流量IFP的脉冲信号波，輸出端管则导出相对应的脉冲信号波，从輸出脉冲前沿力度的10%到90%，所需的时间为单脉冲增益值tr。从輸出脉冲后沿力度的90%到10%，所需的时间为单脉冲上升幅度tf。

2．电流量传送比CTR（Current Transfer Radio）

输出管的工作标准电压为标准值时，輸出电流量和发光二极管正方向电流量之之比电流量传送比CTR。

3.4 防护特点

1． 入出间防护电容器Cio（Isolation Capacitance）：

光耦合器件键入端和輸出端中间的电容器值

2． 入出间防护电阻器Rio：（Isolation Resistance）

半导体材料光耦合器键入端和輸出端中间的接地电阻值。

3． 入出间防护工作电压Vio（Isolation Voltage）

光耦合器键入端和輸出端中间绝缘层抗压值。

其他主要参数例如操作温度、损耗输出功率等不会再一一敷述。

光耦合器归类及运用

4.1 归类

按传送特点，一般将光耦合器分成两大类：一类是是非非线性光耦；一类是线性光耦。非线性光耦的电流量传送特点曲线图是离散系统的，这类光电耦合器合适于传送电源开关数据信号，不宜于传送模拟量输入。线性光耦的电流量传送特点曲线图贴近平行线，而且小数据信号时特性不错，能以线形特点开展防护操纵。因此一般必须传送脉冲信号的场所，如开关电源电路輸出端意见反馈讯号与键入端数据信号的防护，就需选用线性光耦；而传送逻辑性数据信号的场所，如取样数据信号与单片机设计键入中间，一般会采取非线性光耦。

线性光耦的防护基本原理与一般光电耦合器沒有区别，仅仅将一般光电耦合器的多发单收方式稍稍更改，提升一个用以意见反馈的光接纳电源电路用以意见反馈。那样，尽管2个光接纳电源电路全是离散系统的，但2个光接纳电源电路的离散系统特点全是一样的。就可以根据意见反馈通道的离散系统来相抵直通通路的离散系统，进而实现完成线形防护的目地。

按结构特征，又可将光电耦合器分成：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。下边举例说明介绍一下通用性及达林顿管輸出型。

在通用性光耦合器中，协调器是一只硅放电管，因而在B-E中间只有一个硅PN结；达林顿管型光电耦合器要不然，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，因而达林顿管光电耦合器有更高的电流量传送比（一般达林顿管型光电耦合器的CTR比通用性光电耦合器大1~2个量级），进而就有着更多的推动工作能力，如下图。

4.2 运用

因为光电耦合器优势突显：如数据信号单边传送，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，传送高效率高；而且其构造及类型十分多种多样，因此其运用十分普遍，关键运用下列场所：
　　(1) 在时序逻辑电路上的运用
　　光耦合器能够组成各种各样时序逻辑电路，因为光耦合器的抗干扰能和防护性能提升晶体三极管好，因而由它组成的时序逻辑电路更靠谱。必须特别注意的是光电耦合器的传输速度能不能达到时序逻辑电路的必须。

　　(2) 做为固态电源开关运用
　　在电路中，通常需要控制回路和按钮中间要有有效的电防护，针对一般的开关元件而言是难以保证的，但用光耦合器却比较容易完成。针对电路，除开规定光电耦合器有好的防护特性外，定时开关也十分关键。

　　(3) 在开启电源电路上的运用
　　将光耦合器用以双稳态輸出电源电路，因为能够把发光二极管各自串入两管发射极控制回路，可合理地处理輸出与负荷防护地难题。因为溫度针对光电耦合器的暗电流及LED的可靠性均有影响，因此要十分注意该类电源电路的应用自然环境。

　　(4) 在单脉冲运算放大器中的运用
　　光耦合器运用于数字电路设计，能够将脉冲开展变大。

　　(5) 在线性电路上的运用
　　线形光耦合器运用于线性电路中，具备较堡垒线性及其良好的电防护特性。这类电源电路一般用以脉冲信号的传送，如开关电源电路线路中。

(6) 其他特别场所的运用
　　光耦合器还可使用于超高压操纵，替代变电器，替代接触点汽车继电器及其用以a/d电源电路等各种场所。还可用以工业控制系统，以弱数据信号推动功率大的机器设备等。

下边举例子。如下图：单片机设计与RS485通信口中间的选用光耦隔离，进而使单片机设计免遭外部数据信号的影响及突波的冲击性。

因一般RS485插口与51单片机相互之间的通信为模拟信号，对线性规定并不是很高，但通讯的串口波特率都非常高，假如光电耦合器传送波型升高/降低的速度过慢，则会变成全部通信系统的短板。因此这里应选择高速光耦。并且与光电耦合器配对的电阻值的电阻也必须最优控制。比如：电阻器R2、R3假如选获得很大，可能使光电耦合器的发光二极管由截至进到饱和状态越来越比较慢；假如选获得过小，撤出饱和状态也会比较慢，因此这二只电阻器的数据要用心选择，一般能够由试验而定。