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光耦乱弹(下)(ZT)
moran | 2008-08-09 13:27:14    阅读:2416   发布文章
光耦合器的技术特性与应用

1.概述

  光耦合器(optical coupler,英文缩写为OC)亦称光电隔离器,简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以,它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。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。由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件,因而具有很强的共模抑制能力。所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件,可以大大增加计算机工作的可靠性。

  光耦合器的主要优点是:信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定,无触点,使用寿命长,传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件,现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中,利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路,通过调节控制端电流来改变占空比,达到精密稳压目的。

十几年来,新型光耦合器不断涌现,满足了各种光控制的要求。其应用范围已扩展到计测仪器,精密仪器,工业用电子仪器,计算机及其外部设备、通信机、信号机和道路情报系统,电力机械等领域。这里侧重介绍该器件的工作特性,驱动和输出电路及部分实际应用电路。

  近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号,使其应用领域大为拓宽。下面分别介绍光耦合器的工作原理及检测方法。

2. 光耦合器的性能及类型

  用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时,便形成一个光源,该光源照射到光敏三极管表面上,使光敏三极管产生集电极电流,该电流的大小与光照的强弱,亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输,因而两部分之间在电气上完全隔离,没有电信号的反馈和干扰,故性能稳定,抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小(2pf左右)、耐压高(2.5KV左右),故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外,因其输入电阻小(约10Ω),对高内阻源的噪声相当于被短接。因此,由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。

  事实上,光耦合器是一种由光电流控制的电流转移器件,其输出特性与普通双极型晶体管的输出特性相似,因而可以将其作为普通放大器直接构成模拟放大电路,并且输入与输出间可实现电隔离。然而,这类放大电路的工作稳定性较差,无实用价值。究其原因主要有两点:一是光耦合器的线性工作范围较窄,且随温度变化而变化;二是光耦合器共发射极电流传输系数β和集电极反向饱和电流ICBO(即暗电流)受温度变化的影响明显。因此,在实际应用中,除应选用线性范围宽、线性度高的光耦合器来实现模拟信号隔离外,还必须在电路上采取有效措施,尽量消除温度变化对放大电路工作状态的影响。

  从光耦合器的转移特性与温度的关系可以看出,若使光耦合器构成的模拟隔离电路稳定实用,则应尽量消除暗电流(ICBO)的影响,以提高线性度,做到静态工作点IFQ随温度的变化而自动调整,以使输出信号保持对称性,使输入信号的动态范围随温度变化而自动变化,以抵消β值随温度变化的影响,保证电路工作状态的稳定性。

2.1光耦合器的类型

  光耦合器有管式、双列直插式和光导纤维式等封培育形式,其种类达数十种。光耦合器的种类达数十种,主要有通用型(又分无基极引线和基极引线两种)、达林顿型、施密特型、高速型、光集成电路、光纤维、光敏晶闸管型(又分单向晶闸管、双向晶闸管)、光敏场效应管型。此外还有双通道式(内部有两套对管)、高增益型、交-直流输入型等等。国外生产厂家有英国ISOCOM公司等,国内厂家的苏州半导体总厂等。

2.2线性光耦合器的产品分类

  线性光耦合器的典型产品及主要参数见表1,这些光耦均以光敏三极管作为接收管

表1典型线性光耦合器的主要参数

产品型号 CTR/% V(BR)CE0/V 生产厂 封装型式

PC816A 80~160 70 Sharp DZP-4基极未引出

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基极未引出

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基极未引出

CNY75GB 100~200 90 Temic

MOC8101 50~80 30 Motoroln

MOC8102 73~117 30 Motoroln

3.光耦合器的技术参数

  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)。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。

  最重要的参数是电流放大系数传输比CTR(Curremt-Trrasfer Ratio)。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。当接收管的电流放大系数hFE为常数时,它等于输出电流IC之比,通常用百分数来表示。有公式:

CTR=IC/ IF×100%

  采用一只光敏三极管的光耦合器,CTR的范围大多为20%~30%(如4N35),而PC817则为80%~160%,达林顿型光耦合器(如4N30)可达100%~500%。这表明欲获得同样的输出电流,后者只需较小的输入电流。因此,CTR参数与晶体管的hFE有某种相似之处。普通光耦合器的CTR-IF特性曲线呈非线性,在IF较小时的非线性失真尤为严重,因此它不适合传输模拟信号。线性光耦合器的CTR-IF特性曲线具有良好的线性度,特别是在传输小信号时,其交流电流传输比(ΔCTR=ΔIC/ΔIF)很接近于直流电流传输比CTR值。因此,它适合传输模拟电压或电流信号,能使输出与输入之间呈线性关系。这是其重要特性。在设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光耦合器的型号及参数,选取原则如下:

(1)光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是50%~200%。这是因为当CTR<50%时,光耦中的LED就需要较大的工作电流(IF>5.0mA),才能正常控制单片开关电源IC的占空比,这会增大光耦的功耗。若CTR>200%,在启动电路或者当负载发生突变时,有可能将单片开关电源误触发,影响正常输出。

(2)推荐采用线性光耦合器,其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。

(3)由英国埃索柯姆(Isocom)公司、美国摩托罗拉公司生产的4N××系列(如4N25 、4N26、4N35)光耦合器,目前在国内应用地十分普遍。鉴于此类光耦合器呈现开关特性,其线性度差,适宜传输数字信号(高、低电平),因此不推荐用在开关电源中。

4.通用型与达林顿型光耦合器区分

4.1方法之一

在通用型光耦合器中,接收器是一只硅光电半导体管,因此在B-E之间只有一个硅PN结。达林顿型不然,它由复合管构成,两个硅PN结串联成复合管的发射结。根据上述差别,很容易将通用型与达林顿型光耦合器区分开来。具体方法是,将万用表拨至R×100档,黑表笔接B极,红表笔接E极,采用读取电压法求出发射结正向电压VBE。若VBE=0.55~0.7V,就是达林顿型光耦合器。

实例:用500型万用表的R×100档分别测量4N35、4N30型光耦合器的VBE,测量数据及结论一并列入表2中。

表2测试结果

型号 RBE(Ω) n`(格) VBE(V) 计算公式 测试结论

4N35 850 23 0.69 VBE=0.03n(V) 通用型

4N30 4.3k 40.5 1.215 VBE=0.03n`(V) 达林顿型

4.2方法之二

  通用型与达林顿型光电耦合的主要区别是接收管的电流放大系数不同。前者的hFE为几十倍至几百倍,后者可达数千倍,二者相差1~2个数量级。因此,只要准确测量出hFE值,即可加以区分。在测量时应注意事项:

(1)因为达林顿型光耦合器的hFE值很高,所以表针两次偏转格数非常接近。准确读出n1、 n2的格数是本方法关键所在,否则将引起较大的误差。此外,欧姆零点亦应事先调准。

(2)若4N30中的发射管损坏,但接收管未发现故障,则可代替超β管使用。同理,倘若4N35中的接收管完好无损,也可作普通硅NPN晶体管使用,实现废物利用。

(3)对于无基极引线的通用型及达林顿型光耦合器,本方法不再适用。建议采用测电流传输比CTR的方法加以区分。

光耦之研究

1、测试环境

参见下图:

其中:
测量Vf的万用表电压误差是:+0.12V(故If=[Vo-Vb(二极管压降)+0.12)/Rb])
测量Vc的万用表电压误差是:+0.2V(故Ic=[Vcc-Vce+0.02)/Rl])
Vcc=5V

2、测试数据
1)Rb=1K Rl=1K
2)Rb=1K Rl=2K
3)Rb=1K Rl=4.7K
4)Rb=1K Rl=10K
Rb=1KRl=1K
序号 Vi(V) Vb(V) If(mA) Vce(V) Ic(mA) CTR(%)
1 0.5 0.54 0.08 5.02 0 0.00
2 0.7 0.74 0.08 5.02 0 0.00
3 1 0.95 0.17 5 0.02 11.76
4 1.1 0.98 0.24 4.95 0.07 29.17
5 1.2 0.99 0.33 4.9 0.12 36.36
6 1.3 1.01 0.41 4.8 0.22 53.66
7 1.4 1.02 0.5 4.68 0.34 68.00
8 1.5 1.03 0.59 4.53 0.49 83.05
9 1.6 1.04 0.68 4.37 0.65 95.59
10 1.7 1.04 0.78 4.17 0.85 108.97
11 1.8 1.05 0.87 3.95 1.07 122.99
12 1.9 1.05 0.97 3.78 1.24 127.84
13 2 1.06 1.06 3.57 1.45 136.79
14 2.1 1.06 1.16 3.33 1.69 145.69
15 2.2 1.07 1.25 3.07 1.95 156.00
16 2.3 1.07 1.35 2.85 2.17 160.74
17 2.4 1.07 1.45 2.7 2.32 160.00
18 2.5 1.07 1.55 2.43 2.59 167.10
19 2.6 1.08 1.64 2.12 2.9 176.83
20 2.7 1.08 1.74 1.93 3.09 177.59
21 2.8 1.08 1.84 1.62 3.4 184.78
22 2.9 1.08 1.94 1.4 3.62 186.60
23        
3         
1.09    
2.03    
1.22    
3.8        
187.19
24
3.1
1.09
2.13
0.97
4.05
190.14
25
3.2
1.09
2.23
0.87
4.15
186.10
26
3.3
1.09
2.33
0.73
4.29
184.12
27
3.4
1.09
2.43
0.7
4.32
177.78
28
3.5
1.09
2.53
0.67
4.35
171.94
29
3.6
1.1
2.62
0.62
4.4
167.94
30
3.7
1.1
2.72
0.6
4.42
162.50
31
3.8
1.1
2.82
0.57
4.45
157.80
32
3.9
1.1
2.92
0.55
4.47
153.08
33
4
1.1
3.02
0.53
4.49
148.68
34
4.1
1.1
3.12
0.51
4.51
144.55
35
4.2
1.1
3.22
0.49
4.53
140.68
36
4.3
1.1
3.32
0.47
4.55
137.05
37
4.4
1.1
3.42
0.46
4.56
133.33
38
4.5
1.1
3.52
0.44
4.58
130.11
39
4.6
1.1
3.62
0.43
4.59
126.80
40
4.7
1.1
3.72
0.41
4.61
123.92
41
4.8
1.1
3.82
0.4
4.62
120.94
42
4.9
1.1
3.92
0.39
4.63
118.11
43
5
1.1
4.02
0.38
4.64
115.42

Rb=1K Rl=4.7K

序号 Vi(V) Vb(V) If(mA) Vce(V) Ic(mA) CTR(%)
1 0.50 0.53 0.09 5.02 0.00 0.00
2 0.70 0.77 0.05 5.02 0.00 0.00
3 1.00 0.95 0.17 4.94 0.02 10.01
4 1.10 0.99 0.23 4.58 0.09 40.70
5 1.20 1.01 0.31 4.15 0.19 59.71
6 1.30 1.02 0.40 3.63 0.30 73.94
7 1.40 1.02 0.50 3.43 0.34 67.66
8 1.50 1.03 0.59 2.55 0.53 89.07
9 1.60 1.04 0.68 1.95 0.65 96.06
10 1.70 1.05 0.77 0.95 0.87 112.46
11 1.80 1.05 0.87 0.36 0.99 113.96
12 1.90 1.06 0.96 0.24 1.02 105.94
13 2.00 1.06 1.06 0.22 1.02 96.35
14 2.10 1.07 1.15 0.20 1.03 89.18
15 2.20 1.07 1.25 0.19 1.03 82.21
16 2.30 1.07 1.35 0.19 1.03 76.12
17 2.40 1.07 1.45 0.18 1.03 71.02
18 2.50 1.08 1.54 0.18 1.03 66.87
19 2.60 1.08 1.64 0.17 1.03 62.92
20 2.70 1.08 1.74 0.17 1.03 59.31
21 2.80 1.08 1.84 0.17 1.03 56.08
22 2.90 1.08 1.94 0.16 1.03 53.30
23 3.00 1.09 2.03 0.16 1.03 50.94

24 3.10 1.09 2.13 0.16 1.03 48.55
25 3.20 1.09 2.23 0.16 1.03 46.37
26 3.30 1.09 2.33 0.15 1.04 44.47
27 3.40 1.10 2.42 0.15 1.04 42.82
28 3.50 1.10 2.52 0.15 1.04 41.12
29 3.60 1.10 2.62 0.15 1.04 39.55
30 3.70 1.10 2.72 0.14 1.04 38.17
31 3.80 1.10 2.82 0.14 1.04 36.82
32 3.90 1.10 2.92 0.14 1.04 35.56
33 4.00 1.10 3.02 0.14 1.04 34.38
34 4.10 1.10 3.12 0.14 1.04 33.28
35 4.20 1.11 3.21 0.14 1.04 32.35
36 4.30 1.11 3.31 0.14 1.04 31.37
37 4.40 1.11 3.41 0.13 1.04 30.51
38 4.50 1.11 3.51 0.13 1.04 29.64
39 4.60 1.11 3.61 0.13 1.04 28.82
40 4.70 1.11 3.71 0.13 1.04 28.04
41 4.80 1.11 3.81 0.13 1.04 27.31
42 4.90 1.11 3.91 0.13 1.04 26.61
43 5.00 1.11 4.01 0.13 1.04 25.95
Rb=1K Rl=10K
序号 Vi(V) Vb(V) If(mA) Vce(V) Ic(mA) CTR(%)
1 0.5 0.53 0.09 5.02 0 0.00
2 0.7 0.74 0.08 5.02 0 0.00
3 1 0.94 0.18 4.88 0.014 7.78
4 1.1 0.97 0.25 4.51 0.051 20.40
5 1.2 1 0.32 3.35 0.167 52.19
6 1.3 1.01 0.41 2.67 0.235 57.32
7 1.4 1.02 0.5 1.28 0.374 74.80
8 1.5 1.03 0.59 0.25 0.477 80.85
9 1.6 1.04 0.68 0.21 0.481 70.74
10 1.7 1.05 0.77 0.18 0.484 62.86
11 1.8 1.05 0.87 0.17 0.485 55.75
12 1.9 1.06 0.96 0.16 0.486 50.63
13 2 1.06 1.06 0.16 0.486 45.85
14 2.1 1.06 1.16 0.15 0.487 41.98
15 2.2 1.07 1.25 0.14 0.488 39.04
16 2.3 1.07 1.35 0.14 0.488 36.15
17 2.4 1.07 1.45 0.14 0.488 33.66
18 2.5 1.08 1.54 0.14 0.488 31.69
19 2.6 1.08 1.64 0.13 0.489 29.82
20 2.7 1.08 1.74 0.13 0.489 28.10
21 2.8 1.08 1.84 0.13 0.489 26.58
22 2.9 1.09 1.93 0.12 0.49 25.39
23 3 1.09 2.03 0.12 0.49 24.14
24      3.1       1.09     2.13    0.12     0.49  23.00
25 3.2  1.09 2.23 0.12 0.49 21.97
26 3.3 1.09 2.33 0.12 0.49 21.03
27 3.4 1.09 2.43 0.12 0.49 20.16
28 3.5 1.09 2.53 0.12 0.49 19.37
29 3.6 1.1 2.62 0.11 0.491 18.74
30 3.7 1.1 2.72 0.11 0.491 18.05
31 3.8 1.1 2.82 0.11 0.491 17.41
32 3.9 1.1 2.92 0.11 0.491 16.82
33 4 1.1 3.02 0.11 0.491 16.26
34 4.1 1.11 3.11 0.11 0.491 15.79
35 4.2 1.11 3.21 0.1 0.492 15.33
36 4.3 1.11 3.31 0.1 0.492 14.86
37 4.4 1.11 3.41 0.1 0.492 14.43
38 4.5 1.11 3.51 0.1 0.492 14.02
39 4.6 1.11 3.61 0.1 0.492 13.63
40 4.7 1.11 3.71 0.1 0.492 13.26
41 4.8 1.11 3.81 0.1 0.492 12.91
42 4.9 1.11 3.91 0.1 0.492 12.58
43 5 1.11 4.01 0.1 0.492 12.27
使用521-1这样的低速光耦,到底能传输多高的波特率?

使用什么样的限流电阻才能达到最高的波特率?

根据我们的试验,大体上,使用51单片机直接驱动光耦,上拉电阻1K,限流电阻1K,就能达到19200的波特率;
如何调理ac110V~220V电路?
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D4:1N4007
如果不行,适当减小R17,加大电容即可;电容取100u比较好;
tlp521的后级加一个npn三极管比较好;
如果是采样检测脉冲,那么,二极管和电解电容都可以去掉;直接加一个大的限流电阻;

这里我们要思考的是:

如果光耦的上拉电阻减小或者加大对电路其它参数的选择有何影响?
什么参数是最佳的?

经过实际测试,电路修改如下:

1、限流电阻选用:500K(实际测试是使用5个100K1/4W的电阻),上拉电阻使用57K(10K+47K),电解电容使用220u;

2、取消LED,这么大的限流电阻实际使用这个LED是没有意义的;
3、在以上取值下,能够饱和导通;万用表测量出来的最低值是0.5V;

根据ATMEL 89C52的数据,Vil=0.2Vcc-0.1=0.9V;
因此,0.5V可以保证是低电平。

 



图一使用电解电容的掉电检测电路

之所以使用这么大的限流电阻,一方面是为了电阻发热少,个头小,也是为了尽量保护光耦,提高在现场的工作寿命;原来的1个电路曾经使用一个33K/8W的电阻,现场使用发现有一定的损坏率;

如果后级电路加一个HC04,那么这个电阻还可以再加大,可靠性更高;

4、如果快速检测掉电,当然还是去掉电解电容为好;加上电解电容也许不能马上检测到掉电,因为电解电容会有个放电的时间;
5、9楼的电路在负半周的时候,不能检测到是否掉电;因此,最好使用PC814这样的内部有2个发光管的光耦;这样在2个半波内都有脉冲输出;
6、上拉电阻的加大有利于加大脉冲的占空比;
7、如果使用PC814,那么只需要在10个ms内,连续采样检测n次,例如,1ms中断,连续采样n次,只要n次都是高电平,那么就可以认为掉电了;
如果使用PCL521,则需要在20个ms内,1ms中断,连续采样n次,只要n次都是高电平,那么就可以认为掉电了;实际这个n值要根据占空比试验确认;

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图2不使用电解电容使用PC814的掉电检测电路

实际上原来我的电路是一方面作为掉电检测一方面通过测量脉冲宽度,还可以不精确的测量欠压和过压;因此在记忆中是采用1M的限流电阻和10K的上拉电阻,光耦的输出加一个74HC04;这样,74HC04输出的就是一个占空比随电压输入值变化的脉冲;

检测过压和欠压实际就是利用AC220V的过零点到电压最高点这个过程中,从完全截至到饱和导通这样的一个过程;实际上光耦的输出就是一个斜率变化的脉冲波形;

而加上一个HC04,就是相当于一个比较器电路;这样输出的就是一个随着输入的AC220V变化而脉宽变化的脉冲信号;

如果电压加大,跟标准的AC220V输出波形比较来说,则斜率更加陡峭;04输出的占空比减小;(因为反向的原因)
如果电压减小,跟标准的AC220V输出波形比较来说,则斜率更加低缓;04输出的占空比加大;(因为反向的原因)

实际上使用电解电容也没有什么不好,如果对实时检测的要求不高的话;
假如断电,电解电容必然要有放电的时间;但是实际上电解电容的电压受到了发光二极管的钳制大约等于0.7~0.9V;这时电解电容是通过光耦的LED放电;电容稍微放一点,光敏三极管就不可能导通,考虑到Vih=0.2Vcc+0.9=1.9V,实际上,这个过程应该相当的快,实际上从0.5V到1.9V,当然会大于负半周的10ms;当然要想实际检验从0.5V到1.9V需要的时间,需要模拟做个试验;可能需要采用数字示波器来捕捉一下光耦输出的波形;

关于AC220V检测掉电的方法总结一下:

1、最快的检测掉电的方法是采用双发光管的光耦(PC814);在10ms之内能检测到;需要在1ms的中断中扫描n次,10>n>5;连续n次为高电平,则判断为掉电;

2、采用二极管+电解电容可行,掉电的时间超出10ms以上才能检测到;为了保险起见,n>2;连续n次为高电平,则判断为掉电;

3、是采用单发光管的光耦;在20ms之内能检测到;需要在1ms的中断中扫描n次,20>n>15;连续n次为高电平,则判断为掉电;
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疯癫龙  2008-08-09 13:41:47 

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