光耦选型指南及各种参数说明

1、光耦选型手册光耦简介：光耦合器（opticalcoupler ，英文缩写为 0C亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光 耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED与受光器（光敏半导体管） 封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电一光一电”转换。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。光耦的分类：（1）光电耦合

2、器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。常用的 4N系列光耦属于非线性光耦。线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。常用的线性光耦是PC817A C系列。（2）常用的分类还有：按速度分，可分为低速光电耦合器（光敏三极管、光电池等输出型）和高速光电耦合器 （光敏二极管带信号处理电路或者光敏集成电路输出型）。按通道分，可分为单通道，双通道和多通道光电耦合器。按隔离特性分，可分为普通隔离光电耦合器（一般光学胶灌封低于5000V,空封低于2000V）和高压隔离光

3、电耦合器（可分为10kV, 20kV, 30kV等）。按输出形式分，可分为：a、光敏器件输出型，其中包括光敏二极管输出型，光敏三极管输出型，光电池输出型， 光可控硅输出型等。b、NPN极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型，互补输出型等。c、达林顿三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型。d、逻辑门电路输出型，其中包括门电路输出型，施密特触发输出型，三态门电路输出型 等。e、低导通输出型（输出低电平毫伏数量级）。f 、光开关输出型（导通电阻小于10Qg、功率输出型（IGBT/MOSFET等输出）。光耦的结构特点：光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为1051

4、06Q。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电 容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另 一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号 线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的 高压。 光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有10卩s左右，适于对回应速度

5、要 求很高的场合。光耦的相关参数：一、输入特性： 光耦合器的输入特性实际也就是其内部发光二极管的特性。常见的参数有：.正向工作电压 Vf ( Forward Voltage )Vf是指在给定的工作电流下，LED本身的压降。常见的小功率LED通常以lf=20mA来测试正向工作电压，当然不同的 LED,测试条件和测试结果也会不一样。(2 )反向电压 Vr (Reverse Voltage )是指LED所能承受的最大反向电压，超过此反向电压，可能会损坏LED在使用交流脉冲驱动LED时，要特别注意不要超过反向电压。反向电流 Ir (Reverse Current )通常指在最大反向电压情况下，流过LE

6、D的反向电流。允许功耗 Pd (Maximum Power Dissipation )LED所能承受的最大功耗值。超过此功耗，可能会损坏LEDb中心波长入 p (Peak Wave Length )是指LED所发出光的中心波长值。波长直接决定光的颜色，对于双色或多色LED,会有几个不同的中心波长值。正向工作电流 If ( Forward Current )If是指LED正常发光时所流过的正向电流值。不同的LED,其允许流过的最大电流也会不一样。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的需求。较小的If可以降低系统功耗，并降低LED的衰减，提高系统长期可靠性。如下图AVAGOt耦

7、系列所示，HCPL-4701 系列可做到40uA的导通电流，大大降低系统功耗。GNT詰占纂畀IE柿HCPL-4503mAHCPL-450412 mAHCPL-4506 列SinAHCPL-261 A2 mA.6N133IB mA0.5 mAHCPL-4701 AH 4JnA正向脉冲工作电流Ifp (Peak Forward Curre nt )Ifp是指流过LED的正向脉冲电流值。为保证寿命，通常会采用脉冲形式来驱动LED,通常LED规格书中给中的Ifp是以0.1ms脉冲宽度，占空比为1/10的脉冲电流来计算的。二、输出特性：光耦合器的输出特性实际也就是其内部光敏三极管的特性，与普通的三极管类

8、似。常见的参 数有：集电极电流 lc (Collector Current )光敏三极管集电极所流过的电流，通常表示其最大值。集电极-发射极电压 Vceo( C-E Voltage)集电极-发射极所能承受的电压。发射极-集电极电压 Veco( E-C Voltage)发射极-集电极所能承受的电压反向截止电流Iceo发光二极管开路，集电极至发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流为反向截止电流。C-E 饱和电压 Vce(sat) ( C-E Saturation Voltage )发光二极管工作电流IF和集电极电流IC为规定值时，并保持IC/IF CTRmi门时(CTRmin 在被测管技术条件

9、中规定)集电极与发射极之间的电压降。三、传输特性： 电流传输比 CTR( Curre nt Tran sfer Radio)输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR上升时间 Tr ( Rise Time ) & 下降时间 Tf ( Fall Time )光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流 IFP的脉冲波，输出端管则输出 相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%所需时间为脉冲上升时间 tr。从输出脉冲后沿幅度的90%到10%所需时间为脉冲下降时间 tf。传输延迟时间tPHL,tPLH :从输入脉冲前沿幅度的 50%到输出脉冲电平下降到

10、1.5V时所需时间为传输延迟时间 tPHL。从输入脉冲后沿幅度的 50%到输出脉冲电平上升到 1.5V时所需时间为传输延迟时间 tPLH。四、隔离特性：(1 )入出间隔离电压 Vio (Isolation Voltage )光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。(2 )入出间隔离电容 Cio (Isolation Capacitanee):光耦合器件输入端和输出端之间的电容值(3 )入出间隔离电阻 Rio :(Isolation Resista nee )半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。共模抑制比 CMTRCMTR盼在毎磁秤尤隅能存祚的呆人扶投电” 升戒冋曙率.这个菇敕在I业陶

11、用叩奇关重妄，比如电机f, i劫和制幼的讨丹中都食常来榕大的几悦噪山.* Q*CMh =输岀弐电平H*共核押比(VAja)CMI =输出低电平时共棋押制比(VJuw)电用窗变=瞬变脉冲帕值=|%胡1 iroinhh-iigtTRAM 射日NTtTRAJSI&lENTAvago比權便用阴琐关犍技术:去耦屏厳膜和辿特的封裝设计，具有业舛颔光的 CMR性能-光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比 CTR输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压 V(BR)CEO集电极-发射极饱和压降VCE(sat)。此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延

12、迟时间和 存储时间等参数。电流传输比是光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。使用光电耦合器主要是为了提供输入电路和输出电路间的隔离，在设计电路时，必须遵循下列原则：所选用的光电耦合器件必须符合国内和国际的有关隔离击穿电压的标准；由英国埃索柯姆(Isocom)公司、美国 FAIRCHILD生产的4NXX系列(如 4N25、4N26、4N35) 光耦合器，在国内应用地十分普遍。可以用于单片机的输出隔离；所选用的光耦器件必须具 有较高的耦合系数。光耦工作原理详解以一个简单的图(图.1 )说明光耦的工作：原边输入信号Vi

13、n，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VlN OVCC 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Ic If*CTR。O Vcc 光耦一般会有两个用途：线性光耦和逻辑光耦，工作在开关状态的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。此时 lclf*CTR，此工作状态用于传递逻辑开关信号。图.1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 V

14、cc-Ic*RL : Vout= Ic*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)。兀柄二谀曰电路團Vi* oRoO VccJ f RL*C5 Vrirr O Voc$RlE 二 IITT* .J前蹑电啸If 士沁苞仙丿Fb61)电箭限制条件Ie CIK+LfIc + Lb理祁:II确包 桶別边电竞也迫丈小 硝走*柔Pr的让不能大于谟通崔瑾聊i比團定，三桓营融边电渝it道尢 屮维，玮的“不盘尢于谣逋匣悅和f开未状态X他 此TL光構&I边皱高光抽三槻管的导 谨压琨很刮实际

15、的在电；話血這內 flc-CTR+If)* 删导诵时.当氐咀国卜时，Ycr/K * lb此时：三极管合握寓骨压阵，鵲制实歸 的氏在电流色這內(氐二Ibh三 榕菅辱逋呼,ftut输出天V丐加般光耦CTR详解概要：对于工作在开关状态的光耦要保证光耦导通时CTR有一定余量；CTR受多个因素影响。一、光耦能否可靠导通实际计算举例分析，例如图.1中的光耦电路，假设 Ri = 1k,Ro =1k,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5V的方 波，输出 Vcc是3.3V。Vout能得到3.3V的方波吗？我们来算算：If = (V

16、i-1.6V)/Ri= 3.4mA 副边的电流限制：Ic TOC o 1-5 h z 5 mA4 mA3 mA2 mA02SCo Ilector-Tm i tter Vo ItageVce (V)10由图表可看出：Vce必须大于一定电压，lc才能达到最大，CTR值才会大； 设计，选型, 替代注意：Vce在电路应用中，保证设计有一定的电压值，否则lc将较小，CTR将较小，般设计Vc应大于3V。（5 ）寿命影响Long term CTR degradation exampleo6 J.8 O-2o.If = 1 mA, Ia - k = 5 ITlA, 7a 二 I 卜二 20 mA, a 二If

17、 = 20 mA. 7* =25252560102 103 104 10bI ime (llr)由图表可看出：工作时间越长，CTR值越小；工作温度越高，CTR值越小； 工作电流越大,CTR值越小；在设计选型时，在规格书规定的工作环境温度下，为了保证产品足够寿命，需 要选取合适的工作电流。通过以上影响CTR的因素，离散性、温度、If、VCE寿命，这几个因数综合起来，结 合电路设计的功耗，确定 If，根据现场使用环境确定温度范围，确定CTR值的下限。根据CTR值的下限及传输速率要求，确定原边及副边的负载电阻。光耦的传输特性前面介绍光耦的参数时介绍涉及传输特性的几个参数，上升时间Tr ( Rise

18、Time )&下降时间Tf( Fall Time )，传输延迟时间tPHL及tPLH。这几个参数在不同光耦厂家的定义 略有不同，但表征意义基本相同。由于光耦自身存在分布电容，对传输速度造成影响，光敏三极管存在分布电容Cbe。Jundon capacitance causngthe signal delay壬 警-? vI购n碍w；0(203 皿*PS26&1由于CB间接电容的存在，造成输入与输出信号间有个延迟时间，部分光藕在使用中将B极与地间加个电阻来减少延迟时间；设计，选型，替代注意：在设计选型时，要了解光耦在信号传输时，有时间的延迟问题，因 此选型根据产品的工作频率来选定不同传输速率的光耦

19、，部分可通过调整电阻来改变频率响应；、光耦的传输延时 tPHL及tPLH :以8701为例涉 及到 两个参 数： 光耦导通延时 tphl 和 光耦关断 延时 tplh ， 以 8701 为例 ：在 If=16mA/Ic=2mA 时候，导通延时最大 1.2uS ，关断延时最大 0.8uS 。所以用 8701 传递 500k 以上的开关信号就需要不能满足。下图是一个实测的延时波形（ ch4 原边（红）， ch2 副边（绿）对于tp参数的设计更应该考虑余量，因为tp参数也受其他因素影响较多。(1)受温度影响8701的Ta-lf特征曲线：温度升高，开关延时都会增大。NORMALIZED PROPAGA

20、TION DELAfTIME vs. AMBIENT TEMPERATUREAmbient Tomperature, Ta fC)(2)受原边If大小影响8701的tp-lf特征曲线：If增大，导通延时减小，关断延时增大。Q510152025no2_1PROPAGATION DELAY TIME gFORWARD CURRENT3.0Forward Current, If (mA)(3)受副边Ic大小影响8701的tp-RL特征曲线：Rl增大，关断延时增大明显。sc = 5 V,- =IS mA -VcIf*”1yLFInLA10klookLoad Resista nep Rl (li)针对具体电路的特点，计算最大延时时也是采用与CTR 一样的方法，通过器件资料给定特定环境下的准确范围，然后逐一通过三个曲线确定具体电路下的光耦最大延时。二、