光耦工作原理(li)详解-光耦参数(shu)知识(shi)与特点理(li)解-KIA MOS管
信息来源：本站 日期：2019-05-28
它是以(yi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)为媒介(jie)来(lai)传输电(dian)(dian)信(xin)号(hao)(hao)的(de)器(qi)(qi)(qi)件，通常把(ba)发(fa)(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)（红外(wai)线发(fa)(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)二极(ji)管LED）与受(shou)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)（光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏半导体管，光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏电(dian)(dian)阻）封(feng)装在同一管壳内。当(dang)输入端(duan)加(jia)电(dian)(dian)信(xin)号(hao)(hao)时发(fa)(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)发(fa)(fa)出(chu)(chu)(chu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)线，受(shou)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)接受(shou)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)线之(zhi)后(hou)就产生光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)电(dian)(dian)流(liu)，从(cong)输出(chu)(chu)(chu)端(duan)流(liu)出(chu)(chu)(chu)，从(cong)而实现(xian)了“电(dian)(dian)—光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)—电(dian)(dian)”转换。以(yi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)为媒介(jie)把(ba)输入端(duan)信(xin)号(hao)(hao)耦(ou)(ou)合(he)到(dao)输出(chu)(chu)(chu)端(duan)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)电(dian)(dian)耦(ou)(ou)合(he)器(qi)(qi)(qi)，由于它具有体积小、寿命长、无(wu)触点(dian)，抗干(gan)扰能力强，输出(chu)(chu)(chu)和输入之(zhi)间绝缘(yuan)，单向传输信(xin)号(hao)(hao)等优(you)点(dian)，在数字电(dian)(dian)路上获得广泛的(de)应用。
耦(ou)合器(qi)(qi)以光(guang)(guang)为(wei)媒介传输(shu)(shu)(shu)电(dian)(dian)(dian)信(xin)号。它(ta)对输(shu)(shu)(shu)入、输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)电(dian)(dian)(dian)信(xin)号有(you)良好的(de)隔(ge)离(li)作(zuo)用，所以，它(ta)在各种电(dian)(dian)(dian)路中得到广泛的(de)应用。目前(qian)它(ta)已成为(wei)种类最多、用途最广的(de)光(guang)(guang)电(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)件(jian)之一(yi)(yi)。光(guang)(guang)耦(ou)合器(qi)(qi)一(yi)(yi)般(ban)由三部分组(zu)成：光(guang)(guang)的(de)发(fa)(fa)射、光(guang)(guang)的(de)接(jie)(jie)收及信(xin)号放大。输(shu)(shu)(shu)入的(de)电(dian)(dian)(dian)信(xin)号驱动发(fa)(fa)光(guang)(guang)二极(ji)管（LED），使之发(fa)(fa)出(chu)(chu)(chu)一(yi)(yi)定波长的(de)光(guang)(guang)，被光(guang)(guang)探测器(qi)(qi)接(jie)(jie)收而产生光(guang)(guang)电(dian)(dian)(dian)流，再经过进一(yi)(yi)步(bu)放大后(hou)输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)。这就完(wan)成了电(dian)(dian)(dian)—光(guang)(guang)—电(dian)(dian)(dian)的(de)转换(huan)，从而起(qi)到输(shu)(shu)(shu)入、输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)、隔(ge)离(li)的(de)作(zuo)用。由于光(guang)(guang)耦(ou)合器(qi)(qi)输(shu)(shu)(shu)入输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)间(jian)互相隔(ge)离(li)，电(dian)(dian)(dian)信(xin)号传输(shu)(shu)(shu)具有(you)单向性等特点，因而具有(you)良好的(de)电(dian)(dian)(dian)绝缘能(neng)力和抗干扰能(neng)力。
所以(yi)(yi)，它(ta)在长线传输(shu)信息(xi)中作为(wei)终端隔(ge)离元件(jian)可(ke)以(yi)(yi)大(da)大(da)提高(gao)信噪(zao)比。在计(ji)(ji)算机(ji)数字通信及实时控制中作为(wei)信号隔(ge)离的接口器件(jian)，可(ke)以(yi)(yi)大(da)大(da)提高(gao)计(ji)(ji)算机(ji)工作的可(ke)靠性。又由于光耦(ou)合器的(de)输入端属于电流型(xing)工作的(de)低阻(zu)元(yuan)件，因(yin)而(er)具有很强(qiang)的(de)共模抑(yi)制能力(li)。
光耦(ou)是隔离传输(shu)器(qi)件，原边给(ji)定信号(hao)，副边回路(lu)就会输(shu)出经过隔离的(de)信号(hao)。对于光耦(ou)的(de)隔离容(rong)易理解，此(ci)处不做讨论。
以一个简(jian)单的(de)图（图.1）说(shuo)明光(guang)耦(ou)的(de)工(gong)作：原(yuan)边(bian)输(shu)入信(xin)号 Vin，施加到(dao)原(yuan)边(bian)的(de)发(fa)光(guang)二极管和 Ri 上(shang)产生光(guang)耦(ou)的(de)输(shu)入电流If，If 驱动发(fa)光(guang)二极管，使得副(fu)边(bian)的(de)光(guang)敏三极管导通，回路VCC、RL产生Ic,Ic 经过RL产生Vout，达到(dao)传递(di)信(xin)号的(de)目的(de)。原(yuan)边(bian)副(fu)边(bian)直接(jie)的(de)驱动关(guan)联是CTR（电流传输(shu)比），要满足 Ic≤If*CTR。
光耦(ou)(ou)一(yi)般会有两个用(yong)途：线性光耦(ou)(ou)和逻辑光耦(ou)(ou)，如果理解？
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Ic
工作在线性状(zhuang)态的光耦(ou)，Ic=If*CTR，副边三极(ji)管压降的大(da)小等于 Vcc-Ic*R L ，Vout=Ic*RL=(Vin-1.6V)/Ri * CTR*RL ，Vout大(da)小直接与Vin成比例，一般(ban)用于反馈环路里面 (1.6V是粗略估(gu)计(ji)，实际要按器件资料，后续(xu) 1.6V 同) 。
对于(yu)光耦开关和(he)线(xian)性状(zhuang)态可以类(lei)比为(wei)普通三极管的饱和(he)放大两个状(zhuang)态。
所以通过分析实际的(de)电路，除去隔离因素，用分析三极管的(de)方法来分析光耦是(shi)一个很有(you)(you)效的(de)方法。此方法对于(yu)后(hou)续分析光耦的(de)CTR参(can)数(shu)，还有(you)(you)延(yan)迟(chi)参(can)数(shu)都有(you)(you)助于(yu)理解。
1、光耦能否可靠导通(tong)实(shi)际(ji)计算
举例分析，例如图.1 中(zhong)的光耦电路，假设(she)(she)Ri=1k,Ro=1k,光耦 CTR=50%，光耦导通时假设(she)(she)二极(ji)管压降(jiang)为1.6V，副(fu)边三极(ji)管饱和(he)导通压降(jiang) Vce=0.4V。输(shu)入信号Vi是5V的方波，输(shu)出Vcc是3.3V。Vout能(neng)得到3.3V的方波吗？
我们来算(suan)算(suan)：If=(Vi-1.6V)/Ri=3.4mA
副边的(de)电流限制：Ic’≤ CTR*If = 1.7mA
假设副(fu)边(bian)要饱和导通(tong)，那(nei)么需要 Ic’= (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA，大(da)于电流通(tong)道限制(zhi)，所以(yi)导通(tong)时，Ic 会被光耦限制(zhi)到 1.7mA， Vout = Ro*1.7mA=1.7V，所以副边得到(dao)的(de)是(shi)1.7V的(de)方波。
为(wei)什么得不到3.3V的(de)方波，可以(yi)(yi)理解为(wei)图.1 光(guang)耦电(dian)路的(de)电(dian)流(liu)驱动能(neng)力小，只能(neng)驱动1.7mA的(de)电(dian)流(liu)，所以(yi)(yi)光(guang)耦会增大副(fu)(fu)边三极管的(de)导通(tong)压降来限制副(fu)(fu)边的(de)电(dian)流(liu)到1.7mA。
解决措施：增(zeng)大 If；增(zeng)大 CTR；减小 Ic。对(dui)应措施为(wei)：减小 Ri 阻值；更(geng)换(huan)大 CTR 光耦；增(zeng)大 Ro 阻值。
将上述(shu)参(can)数稍加优(you)化，假设(she)增(zeng)大 Ri 到(dao) 200 欧姆，其他一切条(tiao)件都不变，Vout 能(neng)得到(dao)3.3V的方(fang)波吗？
重新计(ji)算：If=(Vi–1.6V)/Ri=17mA；副边(bian)电流限(xian)制 Ic’≤ CTR*If = 8.5mA，远大于副边(bian)饱(bao)和导通需要的电流(2.9mA)，所(suo)以实际 Ic = 2.9mA。所(suo)以，更改 Ri 后，Vout 输出 3.3V 的方波(bo)。
开关状态的光(guang)耦(ou)(ou)，实际计算时，一般将(jiang)电(dian)路(lu)能正常工作(zuo)需要的最(zui)大 Ic 与原边能提供(gong)的最(zui)小 If 之(zhi)间 Ic/If 的比值与光(guang)耦(ou)(ou)的 CTR 参数(shu)做(zuo)比较，如果(guo) Ic/If ≤CTR，说明(ming)光(guang)耦(ou)(ou)能可靠导(dao)通。一般会预留一点(dian)余量（建议小于 CTR 的 90%）。
2、CTR 受那些(xie)因(yin)素(su)影响(xiang)
1)光耦本身：以8701为(wei)例，CTR在Ta=25℃/If=16mA 时(shi)，范围是(15%~35%)
说明8701这个(ge)型(xing)号(hao)的(de)光(guang)耦，不论何时/何地，任何批(pi)次里的(de)一(yi)个(ge)样品，只要(yao)(yao)在Ta=25℃/If=16mA 这个(ge)条件下，CTR是(shi)一(yi)个(ge)确定的(de)值(zhi)，都能确定在 15%~35%以内。 计(ji)算(suan)导通(tong)时，要(yao)(yao)以下限(xian)进行计(ji)算(suan)，并(bing)且(qie)保证有余(yu)量(liang)。计(ji)算(suan)关断时要(yao)(yao)以上(shang)限(xian)。
2)壳(qiao)温影响(xiang)：
Ta=25℃条件(jian)下(xia)(xia)的 CTR 下(xia)(xia)限确定(ding)了，但往(wang)往(wang)产品里面温(wen)度(du)范围比较大，比如光耦会工作在（-5~75℃）下(xia)(xia)，此种情况(kuang)下(xia)(xia) CTR 怎么确定(ding)？还是看(kan) 8701 的手册：有(you) Ta-CTR 关系图(tu)：
从图(tu)中看出以25度的为基准(zhun)，在其他条件不变的情(qing)况下，-5度下的CTR是25度下的 0.9 倍(bei)左右(you)，75度下最小(xiao)与25度下的CTR持平。
所(suo)以在(zai) 16mA/(-5~75℃)条(tiao)件(jian)下，8701的(de)CTR 最小值是 15%*0.9=13.5%
3) 受If影响。
假设如(ru)(ru)果(guo)实际的(de)If是3.4mA，那么如(ru)(ru)何确定CTR在(zai)If=3.4mA / Ta=(-5~75℃)条(tiao)件下的(de)最小CTR值。
查看8701的(de)If-CTR曲线。图中给(ji)出了(le)三条(tiao)曲线，代(dai)表抽取了(le)三个样(yang)品做测试得(de)到的(de)If-CTR曲线，实际只需要一(yi)个样(yang)品的(de)曲线即(ji)可。
上述CTR影响(xiang)到信号(hao)能(neng)不能(neng)传过去(qu)的问题，类似于直流特性。下面主要分析光(guang)(guang)耦的延时特性，即光(guang)(guang)耦能(neng)传送多快信号(hao)。
涉(she)及到(dao)两(liang)个参数：光耦导通延时(shi)tplh和(he)光耦关(guan)断延时(shi)tphl，以(yi)8701为例 ：在If=16mA/Ic=2mA时(shi)候，关(guan)断延时(shi)最(zui)大0.8uS，导通延时(shi)最(zui)大1.2uS。所以(yi)用 8701 传递 500k以(yi)上的(de)开关(guan)信号就需要不能满(man)足。
下(xia)图是一(yi)个实测的延时波形（ch4原(yuan)边(bian)（红），ch2副边(bian)（绿））
对于tp参数(shu)的(de)设计(ji)更(geng)应该考虑(lv)余(yu)量(liang)，因(yin)为(wei)tp参数(shu)也受其他因(yin)素影响较(jiao)多。
1) 受温度(du)影响(xiang)
8701的Ta-If特征曲线：温度升高，开关延(yan)时都(dou)会增大(da)。
2) 受原(yuan)边(bian)If大小影响(xiang)
8701的(de)tp-If特征曲线：If增大(da)，关断延(yan)时(shi)减(jian)小(xiao)，开(kai)通延(yan)时(shi)增大(da)
3) 受副边Ic大小影响
8701 的 tp-R L 特(te)征曲线：R L 减小，导通延时增(zeng)大明显
针对具体(ti)电(dian)(dian)路的(de)(de)特(te)点，计算最大(da)延时(shi)时(shi)也是采用与 CTR 一样的(de)(de)方法，通(tong)过(guo)器件资料给定(ding)特(te)定(ding)环(huan)境下的(de)(de)准确范围，然后逐一通(tong)过(guo)三个曲线(xian)确定(ding)具体(ti)电(dian)(dian)路下的(de)(de)光耦最大(da)延时(shi)。
注：同一(yi)个型号的光耦(ou) CTR/延(yan)时特性是(shi)一(yi)致的，不(bu)同光耦(ou)的延(yan)时特性不(bu)尽相同，所以需要根据(ju)所用(yong)(yong)光耦(ou)的用(yong)(yong)户手(shou)册来确定。
光耦的主要特点(dian)如下：
1.输入和(he)输出端之间绝(jue)缘，其(qi)绝(jue)缘电阻一(yi)般都大(da)于(yu)10000MΩ，耐压(ya)一(yi)般可(ke)超过1kV，有的(de)甚至可(ke)以达到10kV以上。
2.由于光接(jie)收器只能接(jie)受光源的信(xin)息，反(fan)之不(bu)能，所以信(xin)号(hao)从光源单向传输(shu)到光接(jie)收器时(shi)不(bu)会出现(xian)反(fan)馈现(xian)象(xiang)，其输(shu)出信(xin)号(hao)也不(bu)会影(ying)响输(shu)入端。
3.由(you)于发光器(qi)(qi)件（砷化(hua)镓红(hong)外二极(ji)管）是(shi)阻抗电(dian)流驱动性器(qi)(qi)件，而噪(zao)音(yin)是(shi)一种高内阻微电(dian)流电(dian)压信(xin)号(hao)。因此(ci)光电(dian)耦(ou)合器(qi)(qi)件的(de)共模抑制比很大，所以，光电(dian)耦(ou)合器(qi)(qi)件可(ke)以很好地抑制干扰并消(xiao)除噪(zao)音(yin)。
4.容易和逻辑电路(lu)配(pei)合。
5.响应速度(du)快(kuai)。光电耦合器件的时间常数通常在毫(hao)秒甚(shen)至微(wei)秒级(ji)。
6.无触(chu)点、寿命长、体积小(xiao)、耐冲击。
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