光耦引數解析

2021-06-25 23:22:27 字數 2972 閱讀 8047

(本文參考了360上的一篇光耦的文章 ,做了一些刪除和增補,厚著臉皮算原創吧)

任何器件的選型都是個複雜的工作,要考慮很多問題。在我沒認識《硬體十萬個為什麼》的作者時,鉭電容和普通的鋁電解電容在設計時,除了esr、正切角、成本不同外,基本上不考慮別的因素。他告訴我,鉭電容失效時會**,鋁電容失效僅僅是電解液乾涸。用在高可靠領域,盡量用好的鋁電解電容,少用鉭電容。我的知識裡這塊是空白,設計時系統的失效方式從未在我的考慮範圍之內。我也直言,這的確超出了我的能力所及,除了佩服就是努力學習。尤其是被動器件,看起來簡單,考慮起來真的是非常複雜。

寫光耦的選型,就從我的工作聊聊光耦在實際中的選型使用。囿於水平,寫得可能不到位,拋磚引玉,高手不吝賜教。

光耦實際上是乙個發光器件與光接收器件的組合器件,以光為媒介傳輸電訊號的電->光->電轉換器件。理論上等效模型,都可等效為cccs(電流控制電流源)。

所以分析光耦的時候,很多**軟體都沒有什麼光耦的模型,都需要用cccs來等效。

光耦在電路中有很多奇葩的用法,但最主流的用法就是用來隔離訊號。隔離數碼訊號和模擬訊號。這兩個要求大相徑庭。數碼訊號往往要求低延時,tpd要小。模擬訊號除了頻寬就是精確度的要求。但應用千差萬別,各種不同的應用引數側重點不同。所以,最重要的還是需要對自己的應用熟悉。然後對光耦這個器件的各個引數熟悉,才能知人善任。我就把光耦的幾個重要的引數解析一下,然後在典型的例子裡套一套,看看怎麼選擇這個引數。

技術引數主要有發光二極體正向壓降vf、正向電流if、電流傳輸比ctr、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極-發射極反向擊穿電壓v(br)ceo、集電極-發射極飽和壓降vce(sat)。傳輸數碼訊號時還需考慮上公升時間、下降時間、延遲時間和儲存時間等引數。

ctr:光敏三極體的電流與 發光管的電流 的比值;

隔離電壓:發光管和光敏三極體的隔離電壓的最大值vrms;

集電極-發射極電壓:集電極-發射極之間的耐壓值的最大值。

電流傳輸比是最重要引數,通常用直流電流傳輸比來表示。當輸出電壓保持恆定時,它等於直流輸出電流ic與直流輸入電流if的百分比。採用乙隻光敏三極體的光耦合器,ctr的範圍大多為20%~600%(如ps2501),而pc817則為80%~160%;達林頓型光耦合器(如4n30)可達100%~5000%。這表明欲獲得同樣的輸出電流,後者只需較小的輸入電流。因此,ctr引數與電晶體的hfe有某種相似之處。

上圖是ps2501的ctr的特性,線性光耦合器與普通光耦合器典型的ctr-if特性曲線;普通光耦合器的ctr-if特性曲線呈非線性,在if較小時的非線性失真嚴重,因此它不適合傳輸模擬訊號。線性光耦合器的ctr-if特性曲線具有良好的線性度,特別是在傳輸小訊號。因此,它適合傳輸模擬訊號,輸出與輸入之間呈線性關係。下圖是il300的傳輸圖增益圖。可以看到溫度、電流等多重因素的影響下,基本上傳輸特性還是條直線。

線性度不好的光耦合器呈現開關特性,其線性度差,適宜傳輸數碼訊號(高、低電平),可以用於微控制器的輸出隔離;所選用的光耦器件必須具有較高的耦合係數。如6n137,ctr大的離譜,手冊裡不直接提這個事情,直接上輸出電壓與輸入電流的關係。

大型開關電源中,驅動訊號驅動功率器件需要隔離。這時,開關波形通過光耦的延時顯得尤為重要。盡量選擇延時比較小的光耦,下圖是測試電路。在整個開關電源電路工作中,延時過大導致開關電源的瞬態響應變差,過小占空比和過大占空比傳輸不過去,只能犧牲調節精度和速度。所以,推薦光耦的頻寬不小於mhz級。延遲時間不宜超過週期的1%。

還有一些直接整合圖騰柱的光耦,適合驅動igbt和大功率的mosfet,如acpl-p341/acpl-w341。其實也可以在外部做圖騰柱的,電流也可以做得很大。整合得就是比較好用,生產問題會少一些,也會更可靠一些。

光耦反饋式開關電源必須正確選擇線性光耦合器的型號及引數,除了必須遵循普通光耦的選取原則外,還需要考慮以下問題:

1、光耦合器的電流傳輸比(ctr)的允許範圍是50%~200%。這是因為當ctr<50%時,光耦中的led就需要較大的工作電流(if>5.0ma),才能正常控制單片開關電源ic的占空比,這會增大光耦的功耗。若ctr>200%,在啟動電路或者當負載發生突變時,有可能將單片開關電源誤觸發。

2、若用放大器電路去驅動光電耦合器,必須精心設計,保證它能夠補償耦合器的溫度不穩定性和漂移。

3、推薦採用線性光耦合器,其特點是ctr值能夠在一定範圍內做線性調整。也可以採用下面這種方式採用普通雙光耦補償。效果也還可以。

使用光電耦合器主要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離,在設計電路時,必須遵循下列原則:所選用的光電耦合器件必須符合隔離擊穿電壓的要求。但是我們在設計時很少考慮這個問題。如下圖所示,vcm即是兩側地的壓差。ps2501所能隔離的最大電壓可達5000vrms。隔離高低壓訊號的應用一定要關注此引數。

最後,還有一種光耦是可控矽型光耦。例如:moc3063、il420;它們的主要指標是負載能力;例如:moc3063的負載能力是100ma;il420是300ma。

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