光耦选型最全指南及各种参数说明.doc

1、 光耦选型手册光耦简介：光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为 OC）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“电光电”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。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。光耦的分类：（1）光电耦合器分为两

2、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 PC817AC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）和高压隔离光电耦合器

3、（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 三极管输出型，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 10）。g、功率输出型（IGBT/MOSFET 等输出）。光耦的结构特点：（1）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105

4、106。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。（2）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。（3）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。（4）光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有 10s 左右，适于

5、对回应速度要求很高的场合。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：（1）.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 If=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。（3）反向电流 Ir（Reverse Current）通常指在最大反向电

6、压情况下，流过 LED的反向电流。（4）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 LED。（5）中心波长 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。（6）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

7、高系统长期可靠性。如下图 AVAGO光耦系列所示，HCPL-4701系列可做到 40uA的导通电流，大大降低系统功耗。（7）正向脉冲工作电流 Ifp（Peak Forward Current）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，与普通的三极管类似。常见的参数有：（1）集电极电流 Ic（Collector Current）光敏三极管集电极所流过的电流，通常表示其最大值。（2）集电极-发射

8、极电压 Vceo（C-E Voltage）集电极-发射极所能承受的电压。（3）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（4）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。（5）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/IFCTRmin 时（CTRmin 在被测管技术条件中规定）集电极与发射极之间的电压降。三、传输特性：（1）电流传输比 CTR（Current Transfer Radio）

9、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。（2）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。（3）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 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

10、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 Capacitance）：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 Resistance）半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。（4）共模抑制比 CMTR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）

11、。此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延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 4N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

12、的图（图.1）说明光耦的工作：原边输入信号 Vin，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 VCC、RL 产生 Ic,Ic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 IcIf*CTR。 图.1 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 IcIf*CTR，此工作状态用于传递逻辑开关信号。 工作在线性状态的光耦，Ic=If

13、*CTR，副边三极管压降的大小等于 Vcc-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) 。 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

14、出 Vcc是 3.3V。Vout 能得到 3.3V的方波吗？ 我们来算算：If = (Vi-1.6V)/Ri = 3.4mA 副边的电流限制：Ic CTR*If = 1.7mA 假设副边要饱和导通，那么需要 Ic= (3.3V 0.4V)/1k = 2.9mA，大于电流通道限制，所以导通时，Ic 会被光耦限制到1.7mA， Vout = Ro*1.7mA = 1.7V 所以副边得到的是 1.7V的方波。 为什么得不到 3.3V的方波，可以理解为图.1 光耦电路的电流驱动能力小，只能驱动 1.7mA的电流，所以光耦会增大副边三极管的导通压降来限制副边的电流到 1.7mA。 解决措施：增大 If；

15、增大 CTR；减小 Ic。对应措施为：减小 Ri阻值；更换大 CTR光耦；增大 Ro阻值。 将上述参数稍加优化，假设增大 Ri到 200欧姆，其他一切条件都不变，Vout 能得到 3.3V的方波吗？ 重新计算：If = (Vi 1.6V)/Ri = 17mA；副边电流限制 Ic CTR*If = 8.5mA，远大于副边饱和导通需要的电流(2.9mA)，所以实际 Ic = 2.9mA。 所以，更改 Ri后，Vout 输出 3.3V的方波。 开关状态的光耦，实际计算时，一般将电路能正常工作需要的最大 Ic与原边能提供的最小If之间 Ic/If 的比值与光耦的 CTR参数做比较，如果 Ic/If C

16、TR，说明光耦能可靠导通。一般会预留一点余量（建议小于 CTR的 90%）。 二、CTR 受那些因素影响 上一节说到设计时要保证一定 CTR余量。就是因为 CTR的大小受众多因素影响，这些因素之中既有导致 CTR只离散的因素（不同光耦），又有与 CTR有一致性的参数（壳温/If/寿命）。 （1）光耦本身离散性：下图是 2801不同批次光耦的 CTR，手册上一般给的都是 If=5mA时的值，可以看到不同 DATECODE的有差异，但 CTR值都在规格（130-260）范围内。J16(2009年第 16周生产)的光耦在室温下的 CTRIF（VCE=5V）#1 #2 #3 #4 #5 #6 #75m

17、A 177% 187% 183% 177% 178% 170% 177%J25(2009年第 25周生产)的光耦在室温下的 CTRIF（VCE=5V）#1 #2 #3 #4 #5 #6 #75mA 166% 147% 174% 174% 173% 210% 196%同样以 8701 为例，CTR 在 Ta=25/If=16mA 时，范围是(15%35%) 说明 8701 这个型号的光耦，不论何时/ 何地，任何批次里的一个样品，只要在 Ta=25/If=16mA 这个条件下，CTR 是一个确定的值，都能确定在 15%35%以内。 因此计算开关光耦的导通时，要以下限进行计算，并且保证有余量。计算关

18、断时要以上限。（2）温度影响：以 8701为例Ta=25条件下的 CTR 下限确定了，但往往产品里面温度范围比较大，比如光耦会工作在（-575）下，此种情况下 CTR 怎么确定？还是看 8701 的手册：有 Ta-CTR 关系图：从图中看出，以 25 度的为基准，在其他条件不变的情况下，-5 度下的 CTR 是 25 度下的0.9 倍左右，75 度下最小与 25 度下的 CTR 持平。所以在 16mA/(-575)条件下，8701 的 CTR 最小值是 15%*0.9 = 13.5%（3）原边电流 IF影响某一批次的 2801 CTR值：IF（VCE=5V）#1 #2 #3 #4 #5 #6

19、#71mA 88.3% 90.48% 90.57% 86.56% 87.1% 85.12% 8739%2mA 133% 130% 130% 125% 135% 122% 126%3mA 150% 154% 154% 147% 151% 139% 150%5mA 177% 187% 183% 177% 178% 170% 177%IF不同，CTR 不同，且差异非常大。此时 CTR计算可参考（以 8701为例）：假设如果实际的 If是 3.4mA，那么如何确定 CTR在 If=3.4mA / Ta=(-575)条件下的最小 CTR 值。查看 8701 的 If-CTR 曲线。图中给出了三条曲线，代

20、表抽取了三个样品做测试得到的 If-CTR 曲线，实际只需要一个样品的曲线即可。注：此图容易理解为下限/典型/上限三个曲线，其实不然。大部分图表曲线只是一个相对关系图，不能图中读出绝对的参数值。计算：选用最上面一条样品曲线，由图中查出，If=16mA 时 CTR 大概 28%，在 If=3.4mA时 CTR 大概在 46%。3.4mA 是 16mA 时的 46%/28% = 1.64倍；所以，在 If=3.4mA / (-575)，CTR 下限为 13.5% * 1.64 = 22.2%（4）VCE 的影响Ic,If,Vce关系曲线：由图表可看出：Vce 必须大于一定电压，Ic 才能达到最大，

21、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 Ic将较小，CTR 将较小，一般设计 Vc应大于 3V。（5）寿命影响CTR值与工作时间，工作电流，工作温度关系曲线由图表可看出：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

22、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 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。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，部分可通

23、过调整电阻来改变频率响应；一、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-If 特征曲线：温度升高，开关延时都会增大。（2 ） 受原边 If 大小影响8701

24、 的 tp-If 特征曲线：If 增大，导通延时减小，关断延时增大。（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。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、光耦的上升时间 Tr （Rise Time）& 下降时间 Tf（Fall Time）在某些厂家的光耦手册中，并没有 TPHL和 TPLH的数据，只有 Tr、Tf、Ton、Toff 的概念，此时分析光耦的传输特性可与上文中传输延时分析方法一致。导通和关断的延时主要是受制于输入电流和

25、输出负载限制。以下是台湾亿光光耦手册给出的数据：测试条件为 If=16mA，实际设计中输入电流由于功耗的限制不可能这么大，因此需要找厂家确定我们选定的 If 值时的经验曲线。此时分析光耦的传输速率需计算 ton和 toff。当 If增大时，导通延时减小，关断延时增大。 例如 LZ是 9600通讯，最短脉冲时间 =104uS。信号经过光耦之后，高低电平的时间参数不能有太大的变化，取 20%即 20uS。看参数定义，必须同时满足tON20uS，tOFF 20uS。开关光耦的参数计算再确定好输入和输出的电压后，就是输入和输出负载电阻的计算。确定两个负载电阻，首先计算 CTR 值的在各种影响因素下的下限值，主要是 If、全温度范围、离散性、寿命。确定好 CTR 下限值后，再确定光耦的传输速率，根据传输速率的要求，确定输出端的负载电阻。根据输出端电阻计算输入端负载电阻。由于厂家手册给出的曲线一般都是在 IF 较大的情况下的数据，但在实际设计中考虑到功耗要求，If 值一般较小，因此需要同原厂技术人员沟通下，给出一个经验值来供我们参考计算。再计算后相关参数后，最好进行相应的实测，验证自己的计算结果。