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技術(shù)文章

光耦合器的技術(shù)特性

光耦合器的技術(shù)特性
1.概述

　　光耦合器（optical coupler，英文縮寫(xiě)為OC）亦稱(chēng)光電隔離器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類(lèi)*多、用途*廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。

　　光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來(lái)產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離
、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開(kāi)關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。

十幾年來(lái)，新型光耦合器不斷涌現(xiàn)，滿足了各種光控制的要求。其應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到計(jì)測(cè)儀器，精密儀器，工業(yè)用電子儀器，計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備、通信機(jī)、信號(hào)機(jī)和道路情報(bào)系統(tǒng)，電力機(jī)械等領(lǐng)域。這里側(cè)重介紹該器件的工作特性，驅(qū)動(dòng)和輸出電路及部分實(shí)際應(yīng)用電路。

　　近年來(lái)問(wèn)世的線性光耦合器能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或模擬電流信號(hào)，使其應(yīng)用領(lǐng)域大為拓寬。下面分別介紹光耦合器的工作原理及檢測(cè)方法。

2. 光耦合器的性能及類(lèi)型

　　用于傳遞模擬信號(hào)的光耦合器的發(fā)光器件為二極管、光接收器為光敏三極管。當(dāng)有電流通過(guò)發(fā)光二極管時(shí)，便形成一個(gè)光源，該光源照射到光敏三極管表面上，使光敏三極管產(chǎn)生集電極電流，該電流的大小與光照的強(qiáng)弱，亦即流過(guò)二極管的正向電流的大小成正比。由于光耦合器的輸入端和輸出端之間通過(guò)光信號(hào)來(lái)傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒(méi)有電信號(hào)的反饋和干擾，故性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容小（2pf左右）、耐壓高(2.5KV左右)，故共模抑制比很高。輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供電電源間的絕緣電阻。此外，因其輸入電阻?。s10Ω），對(duì)高內(nèi)阻源的噪聲相當(dāng)于被短接。因此，由光耦合器構(gòu)成的模擬信號(hào)隔離電路具有優(yōu)良的電氣性能。

　　事實(shí)上，光耦合器是一種由光電流控制的電流轉(zhuǎn)移器件，其輸出特性與普通雙極型晶體管的輸出特性相似，因而可以將其作為普通放大器直接構(gòu)成模擬放大電路，并且輸入與輸出間可實(shí)現(xiàn)電隔離。然而，這類(lèi)放大電路的工作穩(wěn)定性較差，無(wú)實(shí)用價(jià)值。究其原因主要有兩點(diǎn)：一是光耦合器的線性工作范圍較窄，且隨溫度變化而變化；二是光耦合器共發(fā)射極電流傳輸系數(shù)β和集電極反向飽和電流ICBO(即暗電流)受溫度變化的影響明顯。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，除應(yīng)選用線性范圍寬、線性度高的光耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)隔離外，還必須在電路上采取有效措施，盡量消除溫度變化對(duì)放大電路工作狀態(tài)的影響。

　　從光耦合器的轉(zhuǎn)移特性與溫度的關(guān)系可以看出，若使光耦合器構(gòu)成的模擬隔離電路穩(wěn)定實(shí)用，則應(yīng)盡量消除暗電流（ICBO）的影響，以提高線性度，做到靜態(tài)工作點(diǎn)IFQ隨溫度的變化而自動(dòng)調(diào)整，以使輸出信號(hào)保持對(duì)稱(chēng)性，使輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍隨溫度變化而自動(dòng)變化，以抵消β值隨溫度變化的影響，保證電路工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。

2.1光耦合器的類(lèi)型

　　光耦合器有管式、雙列直插式和光導(dǎo)纖維式等封培育形式，其種類(lèi)達(dá)數(shù)十種。光耦合器的種類(lèi)達(dá)數(shù)十種，主要有通用型（又分無(wú)基極引線和基極引線兩種）、達(dá)林頓型、施密特型、高速型、光集成電路、光纖維、光敏晶閘管型（又分單向晶閘管、雙向晶閘管）、光敏場(chǎng)效應(yīng)管型。此外還有雙通道式（內(nèi)部有兩套對(duì)管）、高增益型、交-直流輸入型等等。國(guó)外生產(chǎn)廠家有英國(guó)ISOCOM公司等，國(guó)內(nèi)廠家的蘇州半導(dǎo)體總廠等。

2.2線性光耦合器的產(chǎn)品分類(lèi)

　　線性光耦合器的典型產(chǎn)品及主要參數(shù)見(jiàn)表1，這些光耦均以光敏三極管作為接收管

表1典型線性光耦合器的主要參數(shù)

產(chǎn)品型號(hào) CTR/% V（BR）CE0/V 生產(chǎn)廠封裝型式

PC816A 80～160 70 Sharp DZP-4基極未引出

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基極未引出

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基極未引出

CNY75GB 100～200 90 Temic

MOC8101 50～80 30 Motoroln

MOC8102 73～117 30 Motoroln

3.光耦合器的技術(shù)參數(shù)

　　光耦合器的技術(shù)參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級(jí)與輸出級(jí)之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)。此外，在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)間、延遲時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)。

　　*重要的參數(shù)是電流放大系數(shù)傳輸比CTR（Curremt-Trrasfer Ratio）。通常用直流電流傳輸比來(lái)表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí)，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。當(dāng)接收管的電流放大系數(shù)hFE為常數(shù)時(shí)，它等于輸出電流IC之比，通常用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。有公式：

CTR=IC/ IF×100%

　　采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20%～30%（如4N35），而PC817則為80%～160%，達(dá)林頓型光耦合器（如4N30）可達(dá)100%～500%。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此，CTR參數(shù)與晶體管的hFE有某種相似之處。普通光耦合器的CTR-IF特性曲線呈非線性，在IF較小時(shí)的非線性失真尤為嚴(yán)重，因此它不適合傳輸模擬信號(hào)。線性光耦合器的CTR-IF特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號(hào)時(shí)，其交流電流傳輸比(ΔCTR＝ΔIC/ΔIF)很接近于直流電流傳輸比CTR值。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號(hào)，能使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。這是其重要特性。在設(shè)計(jì)光耦反饋式開(kāi)關(guān)電源時(shí)必須正確選擇線性光耦合器的型號(hào)及參數(shù)，選取原則如下：

（1）光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%～200%。這是因?yàn)楫?dāng)CTR＜50%時(shí)，光耦中的LED就需要較大的工作電流(IF＞5.0mA)，才能正?？刂茊纹_(kāi)關(guān)電源IC的占空比，這會(huì)增大光耦的功耗。若CTR＞200%，在啟動(dòng)電路或者當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，有可能將單片開(kāi)關(guān)電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。

（2）推薦采用線性光耦合器，其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。

（3）由英國(guó)埃索柯姆(Isocom)公司、美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N××系列(如4N25 、4N26、4N35)光耦合器，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用地十分普遍。鑒于此類(lèi)光耦合器呈現(xiàn)開(kāi)關(guān)特性，其線性度差，適宜傳輸數(shù)字信號(hào)(高、低電平)，因此不推薦用在開(kāi)關(guān)電源中。

4.通用型與達(dá)林頓型光耦合器區(qū)分

4.1方法之一

在通用型光耦合器中，接收器是一只硅光電半導(dǎo)體管，因此在B-E之間只有一個(gè)硅PN結(jié)。達(dá)林頓型不然，它由復(fù)合管構(gòu)成，兩個(gè)硅PN結(jié)串聯(lián)成復(fù)合管的發(fā)射結(jié)。根據(jù)上述差別，很容易將通用型與達(dá)林頓型光耦合器區(qū)分開(kāi)來(lái)。具體方法是，將萬(wàn)用表?yè)苤罵×100檔，黑表筆接B極，紅表筆接E極，采用讀取電壓法求出發(fā)射結(jié)正向電壓VBE。若VBE=0.55～0.7V，就是達(dá)林頓型光耦合器。

實(shí)例：用500型萬(wàn)用表的R×100檔分別測(cè)量4N35、4N30型光耦合器的VBE，測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)論一并列入表2中。

表2測(cè)試結(jié)果

型號(hào) RBE（Ω） n`（格） VBE（V）計(jì)算公式測(cè)試結(jié)論

4N35 850 23 0.69 VBE=0.03n（V）通用型

4N30 4.3k 40.5 1.215 VBE=0.03n`（V）達(dá)林頓型

4.2方法之二

　　通用型與達(dá)林頓型光電耦合的主要區(qū)別是接收管的電流放大系數(shù)不同。前者的hFE為幾十倍至幾百倍，后者可達(dá)數(shù)千倍，二者相差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，只要準(zhǔn)確測(cè)量出hFE值，即可加以區(qū)分。在測(cè)量時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)：

（1）因?yàn)檫_(dá)林頓型光耦合器的hFE值很高，所以表針兩次偏轉(zhuǎn)格數(shù)非常接近。準(zhǔn)確讀出n1、 n2的格數(shù)是本方法關(guān)鍵所在，否則將引起較大的誤差。此外，歐姆零點(diǎn)亦應(yīng)事先調(diào)準(zhǔn)。

（2）若4N30中的發(fā)射管損壞，但接收管未發(fā)現(xiàn)故障，則可代替超β管使用。同理，倘若4N35中的接收管完好無(wú)損，也可作普通硅NPN晶體管使用，實(shí)現(xiàn)廢物利用。

（3）對(duì)于無(wú)基極引線的通用型及達(dá)林頓型光耦合器，本方法不再適用。建議采用測(cè)電流傳輸比CTR的方法加以區(qū)分。

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