光耦的理解及应用技术文档经典

1、光耦的理解及运用技术文档光搞合器（optical coupler,英文缩写为0c）亦称光电隔离器，简 称光搞。光搞合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有 良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已 成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。 输入的电信号驱动发光二极管（led），使之发出一定波长的光，被光 探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电 一光一电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器 输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好 的电绝緣能力和抗干扰能力。

2、又由于光耦合器的输入端属于电流型工 作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输 信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及 实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可 靠性。1、光耦的工作原理以一个简单的图（图.1）说明光耦的工作：原边输入信号vin，施 加到原边的发光二极管和ri上产生光耦的输入电流if，if驱动发光二 极管，使得副边的光敏三极管导通，回路vcc、rl产生lc，lc经过 rl产生vout，达到传递信号的目的。原边副边直接的驱动关联是ctr（电流传输比），要满足lc彡lf*ctr。对于光耦开关和线性状态吋以类比为普通三极管的

3、饱和放大两个状态比较项fl光耦三极管电路图iro-hvio刖级电流if (=(vin-l. 6)/ri)lb (=(vin-0. 6)/ri)ic 彡 ctr木if电流限制条件理解：if确定，光耦副边屯流通道大小确定，实际的ic不能大于该通道理解：lb确定，=£极管副边电流通道大小确定，实际的ic不能大于该通道狍和/开关状态当 rl阻值大时,vcc/rt < ctr*if光辋导通时，vout '= 0 v当r：阻值大时，vcc/rl<p* lb < 通时，vout "= 0 v图1光耦一般会有两个用途：线性光耦和逻辑光耦，如果理解？工作在开关状态的

4、光耦副边三极管饱和导通，管压降<0.4v, vout约等于vcc (vcc-0.4v左右),vout大小只受vcc大小影响。lc<lf*ctr, 此工作状态用于传递逻辑开关信号。放人/线性状态工作在线性状态的光耦，lc=lf*ctr,副边三极管压降的大小等于 vcc-lc*rl, vout= lc*rl=(vin-1.6v)/ri * ctr*rl, vout 大小直接与 vin 成比例，一般用于反馈环路里面(1.6v是粗略估计，实际要按器件资 料，后续1.6v同)。parametersymbolmin.typ.max.unitstest conditionsforward vol

5、tagevf1.21.4vip = 20 ma当 rl阻值小时，vcc/rl > ctr*if 此时，光祸副边会提高光敏£极管的疔 通压降，限制实际的ic在电流通道内 (ic = ctr*if)o光耦导通时,vout输 出大小4 vin舍线性关系。当rl阻值小时，vcc/rl>p* lb 此时，三极管会提高管压降，限制实际 的ic在屯流通道内(ic = p* lb)。三 极行导通时，vout输出大小1 j vin有线 性关系。2、光耦的主要参数6n135光耦主要参数和选型 insulation 绝缘耐压 viorm (vde)iec, viso ul signal iso

6、lation -共模抑制比 cmr = v/ps vcm gain-电流传输比 ctr = (iq/if) ' 100% speed -传输延时 tphl,，脉宽失真 pwd = tplh k led drive current - led 驱动电流 lf 2.1、绝缘耐压绝緣耐压指光耦保护相关电路及自身免受高压导致的物理损坏的 能力。光耦的损坏可能由于系统内的高压(比如电机软电压)或者外来 高压。光搞的耐压能力主要由输入输出ic间的绝缘材料和封装的方法决 定。塑料光耦封装类别isolation voltage, v|so3750 vrms(ac for 1 minute, r.h.

7、= 40-60%)图2.1.1 hcpl-181绝缘耐压viso2500vrms(ah< 50%, ta = 25°c) (note 12) (t = 1 min.)cmh =输出髙电平时共模抑制比(vajs)cmi =输出低电平时共模抑制比(v/us)llhtransienttransient最人数裾率受到 传输延时的限制图2.2.2 6n137绝缘耐压2.2、共模抑制比cmrcmtr指在每微妙光耦能允许的最大共模电压上升或下降率，这 个参数在工业应用中至关重要，比如电机启动和制动的过程中都会带 来极大的噪声。电压瞬变瞬变脉冲幅值=|vcm|1 transientavago光

8、耦使川两项关键技术，去耦屏蔽膜和独特的封装设计，具有业界领先的 cmr性能.2.3、传输延时输出传输延时，脉宽失真比和延时偏差inputsignalac characteristicstest conditionssymbolmintyp*maxunitpropagation delay time to output high level呻e4) (ta = 25°c)(rl = 350u，cl = 15 pf) (fig. 12)tplh204575100nspropagation delay time to output low level(n<)te 5) (ta = 2

9、5°c)(rl = 350u，cl = 15 pf) (fig. 12)tphl254575100nspulse width distortion(rl = 350q, cl = 15 pf) (fig. 12)itphl-tplh1335ns阁2.3.1 6n137传输延时2.4、led驱动电流if采用高效率的led和高增益的接收放大电路可以降低驱动电流if 的需求，较小的if可以降低系统功耗，并且降低led的衰减，提高系统长期可靠性。50 maaverage forward current if图2.4.1 hcpl-181的led最大驱动电流ifdc/average forwa

10、rdsingle channel'f50mainput currentdual channel (each channel)30图2.4.2 6n137的led最大驱动电流if2.5、选型光耦mosfet 固态继电器隔离电压维<n睡驷送川袖呆«担安全隔离100kbd-10mbdeh12-50mbd门极驱动器f 电流传感器 模拟光耦 ipm接口光耦基本隔离3、光耦的ctr概念3.1、计算举例分析，例如图.1中的光耦电路，假设ri = lk，ro = lk,光耦 ctr= 50%,光耦导通时假设二极管压降为1.6v,副边三极管饱和导通 压降vce=0.4v。输入信号vi是5

11、v的方波，输出vcc是3.3v。vout 能得到3.3v的方波吗？if=(vi-1.6v)/ri = 3.4ma副边的电流限制：ic彡ctr*if = 1.7ma假设副边要饱和导通，那么需要ic=(3.3v-0.4v)/lk = 2.9ma，大 于电流通道限制，所以导通时，ic会被光耦限制到1.7ma，vout = ro*1.7ma= 1.7 v为什么得不到3.3v的方波，可以理解为图.1光耦电路的电流驱 动能力小，只能驱动1.7ma的电流，所以光耦会增大副边三极管的 导通压降来限制副边的电流到1.7ma。解决措施：增大if;增大ctr;减小ic。对应措施为：减小ri阻值；更换大ctr光耦；增

12、大ro阻值。ordering informationhcpl-181 is ul recognized with 3750 vrms for 1 minute per ul1577 and is approved under csa component acceptance notice #5, file ca 88324partnumberrohs compliant optionpackagesurfacemountgullwingtape&reeliec/en/dinen 60747-5-2quantityrank o' 50%<ctr<600%rank a&

13、#39;rank b'80%<ctr130%<ctr<160%<260%rank'c200%<ctr<400%rank'd'300%<ctr<600%hcpl-181-oooe-ooae-oobe-ooce-codeso-4xx3000 pcs per reel-060e-06ae-06be-06ce-06deso-4xxx3000 pcs per reel3.2、ctr的影响ctr的大小受众多因素影响，这些因素之中既有导致ctr离散的 因素(不同光耦)，又有与ctr有一致性的参数(壳温/if)<,(hcpl

14、-181)electrical specifications (ta = 25°c)parametersymbolmin.typ.max.unitstest conditionsforward voltagevf一1.21.4vif = 20 mareverse currentir10pavr = 4vterminal capacitanceq30250pfv = 0，f=1khzcollector dark currentkeo100navce = 20vcollector-emitter breakdown voltagebvcto80一vl( = 0.1 ma, if = 0e

15、mitter-collector breakdown voltagebvco6一vl = 10ya, if = 0collector currentic2.530malf = 5ma，ve = 5vcurrent transfer ratioctr50一600%collector-emitter saturation voltagevce(sat)一一0.2vif = 20 ma, l( = 1 maresponse time (rise)tf一418psvcc = 2 v, l( = 2 maresponse time (fall)tf318msrl = 100qisolation resi

16、stancer|so5x10101x10”一qdc 500 v40 60% r.h.floating capacitanceq0.61.0pfv = 0j=1mhz图 2.1.1200io 1802 160 g 140姿120芸100山 ce qc o8060402002510 20forward current - ma50*ctr = -x100%>f60 ir0 _u-550255075100125ta ambient temperature-°c<ui i lzujcrttnoaa:vmffou.lu._图 2.1.24、光耦的延时涉及到两个参数：光稿导通延时tp

17、lh和光棘关断延时tphl。判断 可以通过的频率信号；response time (rise)418psvc( = 2 v, lc = 2 maresponse time (fall)tf318psrl = 100q5、光搞的运用 、光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问题； 、光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题； 、如果输出有功率要求的话，考虑光耦的功率输出接口问题；5.1、解决光耦隔离非线性如a图，输入特性可以用发光二极管的伏安特性来表示（b图）； 输出端是光敏三极管（即c图伏安特性曲线），因为存在非线区，所 以传输模拟量情况会很差；a光电合器结构i）褕入特性c翰出特ft（1）利用二个相同非线性传输特性的光电耦合器，t1和t2，以 及2个电压跟随器，图 4.1.2（2）vfc方式（电压频率转换方式），现场变送器输出的模拟量 信号（电压信号），经过vfc将电压信号转换成脉冲序列，通过光耦 隔离后输出。在主机侧，通过一个频率电压转换还原成模拟信号。此 时光耦隔离的是数字量，可以消除光耦的非线性影响。变送器输出 禊拟爾倍号ypc芯片 压变操'足时计ft器单片机系统图 4.1.35.2、提高光耦的传输速度由于光耦自身存在的分布电容，对传输速度造成影响，光敏三极 管内部存在着分布电容cbe和cce,如下图，由于光搞的电流传输比 较