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在之前的文章中曾經(jīng)談到過ISOCOM光耦，大致介紹了光耦的分類和主要應(yīng)用市場。本篇文章將聚焦于光耦的應(yīng)用分類和選擇。
之前的文章也提及，光耦的應(yīng)用市場比較廣泛，具體到電子產(chǎn)品的電路實(shí)現(xiàn)功能：電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路，以及電路信號處理：斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大，以及接口電路的實(shí)現(xiàn)：固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口，光耦的表現(xiàn)都足夠出色。光耦合器傳輸?shù)男盘柨梢詾?a target="_blank">數(shù)字信號，也可以為模擬信號，用于模擬信號或直流信號傳輸時，應(yīng)采用線性光耦以減小失真，而傳輸數(shù)字開關(guān)信號時，對其線性度的要求不太嚴(yán)格。對器件要求不同，故選擇時應(yīng)針對輸入信號選擇相應(yīng)的光電耦合器。
在數(shù)字邏輯電路中，光電耦合器可以構(gòu)成各種邏輯電路，由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比晶體管好，因此，由它構(gòu)成的邏輯電路更可靠。在觸發(fā)電路上，光電耦合器用于雙穩(wěn)態(tài)輸出電路，由于可以把發(fā)光二極管分別串入兩管發(fā)射極回路，可有效的解決輸出與負(fù)載隔離的問題?？梢允褂萌龢O管型光電耦合器，常用于開關(guān)電源電路的輸出電壓采樣和誤差電壓放大電路，也應(yīng)用于變頻器控制端子的數(shù)字信號輸入回路。結(jié)構(gòu)最為簡單，輸入側(cè)由一只發(fā)光二極管，輸出側(cè)由一只光敏三極管構(gòu)成，主要用于對開關(guān)量信號的隔離與傳輸。
在脈沖放大電路中，光電耦合器應(yīng)用于數(shù)字電路，可以將脈沖信號進(jìn)行放大。
在線性電路上，使用線性光電耦合器保障具有較高的線性度以及優(yōu)良的電隔離性能。線性光電耦合器，在電路中主要用于對mV級微弱的模擬信號進(jìn)行線性傳輸，往往用于輸出電流的采樣與放大處理、主回路直流電壓的采樣與放大處理。
在應(yīng)用于高壓控制的繼電器場合，光耦可以取代變壓器，保證控制電路和開關(guān)之間要有很好的電隔離，代替觸點(diǎn)繼電器以及用于A/D電路等。
隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展，光耦的應(yīng)用逐漸增多，同時對于光耦的要求逐步向著高集成度（通道數(shù)；受絕緣要求限制）、LED上的突破（開發(fā)活化層在下、向下發(fā)光的LED，從而減小體積）方面靠攏。比如在高頻開關(guān)電源的驅(qū)動信號應(yīng)用中，對光耦的響應(yīng)速度要求很高，故一般采用響應(yīng)較快的高速型，延遲時間在 500nS以內(nèi)。此時需要使用頻率響應(yīng)速度比三極管型光電耦合器大為提高的集成電路型光電耦合器，輸入側(cè)發(fā)光管采用了延遲效應(yīng)低微的新型發(fā)光材料，輸出側(cè)為門電路和肖基特晶體管構(gòu)成，使工作性能大為提高，在變頻器的故障檢測電路和開關(guān)電源電路中也有應(yīng)用。
高速光耦具有可單向傳遞信息、通頻帶寬、寄生反饋小、消噪能力強(qiáng)、抗電磁干擾性能好等特點(diǎn)，因而無論在數(shù)字電路還是在模擬電路中均得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并且還具有有體積小、耦合密切、驅(qū)動功率小、動作速度快、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。具備強(qiáng)穩(wěn)的抗噪聲能力、高彈性的供電電壓運(yùn)作范圍以及多種小巧的封裝選擇，并具備高共模拒斥和短傳播延遲，提供強(qiáng)穩(wěn)有效率的運(yùn)作，可減少 PCB 板的空間；短傳播延遲，提供快速開關(guān)速度，進(jìn)而降低停滯時間并提高移動的效率和精密度，響應(yīng)速度到達(dá)ns量級，極大的拓展了光電耦合器在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用。
前文講到了各種不同功能的電路或者信號處理的場合應(yīng)用光耦，用到不同類型的光耦有普通的線性光耦、三極管型光耦。大致地形容了光耦的用法和場景，光耦的應(yīng)用場景極為豐富，僅僅以開關(guān)電源舉例，就能在其中找出不少例子。開關(guān)電源一般由兩部分組成，功率主回路和控制回路。變換器功率主回路往往與電網(wǎng)連接，電壓等級高；但輸出回路和控制回路多由低壓電子元器件組成。功率主回路與輸出－控制回路應(yīng)該進(jìn)行電氣隔離。?
對于開關(guān)電源，抗干擾技術(shù)和隔離技術(shù)是至關(guān)重要的。
抗干擾技術(shù)主要是消除地線環(huán)路干擾。在開關(guān)電源中，一方面光耦可以起到隔離兩個系統(tǒng)地線的作用，使兩個系統(tǒng)的電源相互獨(dú)立，消除地電位不同所產(chǎn)生的影響。另一方面，光耦的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動器件，可以形成電流環(huán)路的傳送形式，電流環(huán)路是低阻抗電路，對噪音的敏感低，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，起到了電磁兼容和隔離抗干擾的作用，不會因?yàn)殡娐分械母哳l電流的電磁干擾對控制電路產(chǎn)生干擾。
把地線作為電路電位基準(zhǔn)點(diǎn)的等電位體，是一種理想狀態(tài)，實(shí)際上地線信號流回源是低阻抗路徑。當(dāng)一個電流通過有限阻抗時，就會產(chǎn)生電壓降，因此地線上的電位也是非恒定及均勻的。例如附近有大功率用電器啟動時，會在地線在中流過很強(qiáng)的電流，于是兩個設(shè)備的連接電纜上產(chǎn)生電流。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，會產(chǎn)生差模電壓，對電路造成影響，稱為地環(huán)路干擾?；蛘?，地環(huán)路中的電流還可以由電磁場感應(yīng)出來。從地環(huán)路干擾的機(jī)理可知，如果能徹底消除地環(huán)路中的電流，則可以徹底解決地環(huán)路干擾的問題。采用各種隔離器件的隔離方法就是解決地環(huán)路干擾的方案之一。用光實(shí)現(xiàn)信號的傳輸是一種可靠切斷地環(huán)路的方法是解決地環(huán)路干擾問題的最理想方法用光連接有兩種方法，光耦或者光纖。光耦的寄生電容一般為 2pf，能夠在很高的頻率提供良好的隔離，同時安裝、維護(hù)、成本等方面都比較優(yōu)越，這也是光耦的一大應(yīng)用場景。
隔離技術(shù)主要是控制信號傳輸。當(dāng)所需要傳輸?shù)男盘枮橹绷鞣答佇盘枙r，信號對傳輸速度的要求很低，反饋精度是主要因素，選用線性光耦。它由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，當(dāng)發(fā)光二極管接通發(fā)光時，光敏三極管導(dǎo)通。光耦是電流驅(qū)動型，需要一定的電流才能使發(fā)光二極管導(dǎo)通，如果輸入信號太小，發(fā)光二極管不會導(dǎo)通，其輸出信號將失真。在開關(guān)電源中，利用線性光耦可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。當(dāng)光耦應(yīng)用于控制信號放大成為驅(qū)動主開關(guān)管的驅(qū)動信號除了控制電路要和變換器主電路的隔離要求，還因?yàn)殚_關(guān)電源的驅(qū)動控制信號通常頻率都非常高，所以這時最主要考慮的是其響應(yīng)速度能否滿足要求，應(yīng)采用高速光耦，選型就比較重要。
在光耦電路設(shè)計中，需要重視光耦幾個參數(shù)，分別是反向電壓、電流傳輸比CTR，此外還有正向工作電壓Vf、集電極電流Ic、C-E飽和電壓、上升/下降時間Tr /Tf。
反向電壓Vr(Reverse Voltage)，是指原邊發(fā)光二極管所能承受的最大反向電壓，超過此反向電壓，可能會損壞LED。而一般光耦中，這個參數(shù)只有5V左右。在存在反壓或振蕩的條件下使用時，要特別注意不要超過反向電壓并提供保護(hù)電路。
電流傳輸比(current transfer ratio CTR)，是指在直流工作條件下，光耦的輸出電流與輸入電流之間的比值。光耦的CTR類似于三極管的電流放大倍數(shù)，它取決于光耦的輸入電流和輸出電流值及電耦的電源電壓值，這幾個參數(shù)共同決定了光耦工作在放大狀態(tài)還是開關(guān)狀態(tài)，其計算方法與三極管工作狀態(tài)計算方法類似。若輸入電流、輸出電流、電流傳輸比設(shè)計搭配不合理，可能導(dǎo)致電路不能工作在預(yù)想的工作狀態(tài)。原邊輸入信號 Vin，施加到原邊的發(fā)光二極管和 Ri 上產(chǎn)生光耦的輸入電流 If，If 驅(qū)動發(fā)光二極管，使得副邊的光敏三極管導(dǎo)通，回路VCC、RL 產(chǎn)生 Ic,Ic 經(jīng)過 R L 產(chǎn)生 Vout，達(dá)到傳遞信號的目的。原邊副邊直接的驅(qū)動關(guān)聯(lián)是CTR（電流傳輸比），要滿足 Ic≤If*CTR。
正向工作電壓Vf，Vf是指在給定的工作電流下，LED本身的壓降。
集電極電流Ic，光敏三極管集電極所流過的電流，表示其最大值。
C-E飽和電壓Vce，光敏三極管的集電極-發(fā)射極飽和壓降。
上升時間Tr 與下降時間Tf，反映了工作在開關(guān)狀態(tài)的光耦，其開關(guān)速度情況。前文提到的高速光耦選型主要體現(xiàn)于此。高速光耦結(jié)構(gòu)=光敏二極管+放大驅(qū)動電路，普通光耦=光敏三極管+放大驅(qū)動電路。光敏二極管的響應(yīng)速度是納秒級，光敏三極管的響應(yīng)速度是微秒級，故使用時主要看這兩個參數(shù)是否滿足應(yīng)用需求。此外，不同的電路設(shè)計也會導(dǎo)致上升時間時間的不同，主要與光敏三極管的主要參數(shù)相關(guān)，對于此類問題需要專題討論。
根據(jù)以上參數(shù)，選擇光耦的核心步驟是：
1) 根據(jù)副邊所需的負(fù)載，確定Ic；
2) 根據(jù)光耦的CTR的下限，估算原邊所需的最小If；
3) 根據(jù)規(guī)格書給出的曲線圖，綜合溫度、壽命、線性度等因素，估算實(shí)際電路CTR；
4) 根據(jù)分壓和歐姆定律計算限流電阻；
5) 根據(jù)Ton/Toff 初步計算最高工作頻率，再綜合溫度、IF、IC估算實(shí)際需要。
ISOCOM是一家領(lǐng)先的高性能紅外光電子器件制造商，專門從事光耦合器和光電開關(guān)的研發(fā)，ISOCOM提供一個完整而全面的光耦合器系列，便于選擇各類應(yīng)用場景需要的光耦。
fqj
工商網(wǎng)監(jiān)
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