介紹

光耦合器由一個(gè)光源和一個(gè)光敏檢測(cè)器組成。在光耦合器或光子耦合對(duì)中，耦合依靠一個(gè)透明絕緣間隙一側(cè)產(chǎn)生、另一側(cè)檢測(cè)到的光實(shí)現(xiàn)，兩側(cè)之間不存在電氣連接（少量耦合電容除外）。在飛兆半導(dǎo)體光耦合器中，光是由紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的，光檢測(cè)器是一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器（如晶體管）的硅二極管。硅材料的靈敏度在LED****的波長(zhǎng)處達(dá)到最大值，提供最大信號(hào)耦合。

由于光耦合器的輸入是一個(gè) LED，其輸入特性都相同，與所采用的檢測(cè)器類型無(wú)關(guān)。圖 1 顯示 LED 二極管的特性。正向偏置電流閥值出現(xiàn)在約 1 伏特處，電流成指數(shù)增加，IF 的可用范圍介于 1 mA 與 100 mA 之間，對(duì)應(yīng) VF 的范圍介于 1.2 與 1.3 伏特之間。正向偏置電阻的動(dòng)態(tài)值與電流相關(guān)，如圖中定義的 RDF 和 DR 插圖所示。在雪崩擊穿前，反向漏電流處于毫微安范圍內(nèi)。

圖 1. IR LED 的特性

圖 2 顯示 LED 等效電路以及各組件的典型值。若需要電腦制模，可參考提供的二極管方程式，此外還提供了IR LED 的方程式常數(shù)。注意，結(jié)電容非常大，并隨應(yīng)用的正向電壓的增大而增大。圖 3 繪制出該電容隨應(yīng)用 電壓的實(shí)際變化圖。該大電容被驅(qū)動(dòng)電阻控制，從而影響 LED 的脈沖響應(yīng)。在結(jié)電流導(dǎo)致發(fā)光前，必須對(duì)電容進(jìn)行充電。這種效應(yīng)會(huì)在快速脈沖條件下，在應(yīng)用電流和發(fā)光之間產(chǎn)生 10-20 毫微秒或更長(zhǎng)的固有延遲。

圖 2. 等效電路方程式

圖 3. 結(jié)電容與電壓的相關(guān)性

LED 適用于正向偏置模式。由于電流在超過(guò)閥值后增速非常快，器件應(yīng)始終在電流模式 （而非電壓模式）下驅(qū)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)電流驅(qū)動(dòng)最簡(jiǎn)單的方式是提供一個(gè)串聯(lián)限流電阻，如圖 4 所示。這樣，VAPP 和 VF 之間的差值在目標(biāo)IF 下通過(guò)電阻降低 （根據(jù)其它標(biāo)準(zhǔn)確定）。硅二極管與LED 反向并聯(lián)安裝。該二極管用于防止 LED 反向擊穿，這是實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)功能最簡(jiǎn)單的方法。在反向雪崩區(qū)域，必須防止 LED 過(guò)量耗散功率。少量反向電流不會(huì)傷害 LED，但是必須防止意外的浪涌電流。

圖 4. 典型 LED 驅(qū)動(dòng)電路

LED 的正向電壓有一個(gè)負(fù)溫度系數(shù) 1.05 mV/°C，其變化如圖 5 所示。IR LED 的亮度作為正向電流 (IF) 和時(shí)間的函數(shù)以指數(shù)形式緩慢降低。圖 6 是根據(jù) 20,000 小時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的光衰圖。 50% 的衰減量被認(rèn)為是失效點(diǎn)。必須在光隔離器電路設(shè)計(jì)之初考慮衰減量，從而在設(shè)備的整個(gè)設(shè)計(jì)周期內(nèi)允許降低，但仍符合電流傳輸比 (CTR) 的設(shè)計(jì)規(guī)格。此外，還顯示 IF 的驅(qū)動(dòng)限制，用于延長(zhǎng)器件的使用壽命.

圖 5. IR 正向電壓與正向電流和溫度

圖 6. 亮度衰減與正向電流和時(shí)間

在某些情況下，需要為 LED 采用一個(gè)高于二極管 VF 1.1 V 標(biāo)準(zhǔn)電壓的固定閥值。通過(guò)采用一個(gè)電阻對(duì)LED進(jìn)行分流可實(shí)現(xiàn)這種閥值調(diào)整，電阻值由應(yīng)用電壓、串聯(lián)電阻和所需閥值之間的比例決定。圖 7 電路顯示這些值之間的關(guān)系。計(jì)算將決定特定 IFT 和 VA 所需的電阻值。將多個(gè) LED 串聯(lián)起來(lái)共享同一個(gè) IF 也很合適。串聯(lián) VF 為各個(gè) VF 的總和。串聯(lián)中還可以使用齊納二極管。

圖 7. LED 閥值調(diào)整

由于輸入應(yīng)用電壓是可逆或可交替的，且需要檢測(cè)輸入的相位或極性，可采用雙極輸入電路，如圖 8 所示。各個(gè)光耦合器可以控制不同功能，或進(jìn)行并聯(lián)，從而不受極性影響。注意，在此連接中，各個(gè) LED 在反向偏置中保護(hù)彼此.

圖 8. 雙極輸入選擇

圖 9 顯示獲取高抗噪能力高閥值的另一種方法，其中，各個(gè) LED 與反向并聯(lián)二極管反向串聯(lián)，從而傳導(dǎo)極性相反的電流。在該電路中， VF 是串聯(lián) LED 和硅二極管的正向總壓降。電阻用于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)閥值和限流功能。硅二極管可以由其它光耦合器或可視信號(hào)指示燈中的LED取代.

圖9. 高閥值雙極輸入

AC 電源監(jiān)控

在某些情況下，可能需要從 120 VRMS、 60 Hz 或400 Hz 電源驅(qū)動(dòng) LED。由于 LED 的響應(yīng)時(shí)間以納秒為單位，因此將嚴(yán)格遵循交流振幅，在每次輸入過(guò)零時(shí)開關(guān)。若要光耦合器檢測(cè)器提供恒定的交流輸出至邏輯耦合，則需要對(duì) LED 的輸入進(jìn)行整流和濾波。圖 10 電路顯示一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波方案，能夠?yàn)?LED 提供直流電流。

在某些情況下，可以將濾波器設(shè)計(jì)在光耦合器的檢測(cè)器側(cè)，從而允許 LED 以線路頻率施以脈沖。在圖 10 電路中， C1 值的選擇旨在減小半個(gè)周期間的 IF 變化（低于檢測(cè)器部分可以檢測(cè)到的電流）。這種情況通常說(shuō)明檢測(cè)器正以飽和狀態(tài)運(yùn)行，因此將感應(yīng)不到 IF 的小幅變動(dòng)。通過(guò)調(diào)整 R1、 R2 和 R3 的值能夠優(yōu)化濾波功能和R3C1 時(shí)間常數(shù)等。關(guān)斷速度可能是一個(gè)決定因素?？赡苄枰鼜?fù)雜的晶體管濾波，如圖 11 所示，其中可以設(shè)計(jì)明確的時(shí)間延遲、上升時(shí)間和下降時(shí)間。在該電路中， C1 和 R3 的基本功能相同，如圖 10 所示。晶體管為 R4C2 濾波網(wǎng)絡(luò)提供高阻抗負(fù)載，一旦達(dá)到 VF 值，將突然導(dǎo)通 LED 并將晶體管快速拉至飽和。關(guān)斷瞬態(tài)包含 C1 放電、通過(guò) R3 和 LED。

圖 10. LED 驅(qū)動(dòng)電路的交流輸入

圖 11. R-C- 晶體管濾波電路

邏輯對(duì)邏輯接口

在采用光耦合器的邏輯對(duì)邏輯耦合中，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的晶體管驅(qū)動(dòng)電路，如圖 12 所示。 LED 通常為關(guān)斷狀態(tài)，只有在晶體管處于飽和狀態(tài)時(shí)才會(huì)被通電。下面給出了設(shè)計(jì)方程式，用于計(jì)算串聯(lián)限流電阻的值。晶體管關(guān)斷時(shí)，只有少量集電極漏電流通過(guò) LED。若光耦合器檢測(cè)器能夠檢測(cè)到此小漏電流，可通過(guò)添加另一個(gè)LED 并聯(lián)電阻（顯示為 R1）使漏電流繞過(guò) LED。R1 的值可以很大，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算從而保證漏電流不會(huì)超過(guò)圖5 中的閥值電壓 VF （~0.8 伏特）對(duì)應(yīng)的電流。驅(qū)動(dòng)晶體管可以是 TTL 或 DTL 集成電路的標(biāo)準(zhǔn)輸出灌電流，0.2 伏特下的標(biāo)稱灌電流為 16 mA，飽和狀態(tài)下可高達(dá)50 mA。

若邏輯不能實(shí)現(xiàn)必要的灌電流 IF，可以采用輔助驅(qū)動(dòng)晶體管來(lái)提升電流能力。圖 13 電路顯示如何連接一個(gè)PNP 晶體管作為****極跟隨器或普通的集電極來(lái)獲得電流增益。當(dāng)柵極 (G1) 輸出較低時(shí)， Q1 被導(dǎo)通，電流通過(guò) LED?，F(xiàn)在， R1 的計(jì)算必須包含基極 - ****極正向偏置壓降 VBE，如圖所示。

圖 12. 晶體管驅(qū)動(dòng)，通常為關(guān)斷狀態(tài)

圖 13. LED 串聯(lián)升壓器邏輯

當(dāng)晶體管通常為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí) （如圖 14 所示），需要使用低于閥值 VF 的 VSAT 對(duì) LED 的 IF 進(jìn)行分流。典型開關(guān)晶體管的飽和電壓低于 0.4 伏特 (IC= 20 mA 或更低）。確定串聯(lián)電阻的值，從而在晶體管關(guān)斷時(shí)提供所需的IF。

圖 14. 晶體管驅(qū)動(dòng)，通常為導(dǎo)通狀態(tài)

若邏輯仍不能提供所需的灌電流 IF，可以采用一個(gè)升壓晶體管，如圖 15 所示。柵極輸出較低時(shí)，晶體管 Q1 會(huì)被導(dǎo)通，且 G1 的 VCE （飽和）和 Q1 的 VBE 之和將低于 LED 的閥值 VF。柵極輸出較高時(shí)， Q1 不導(dǎo)電且LED 導(dǎo)通?？梢哉Ｓ?jì)算 R1 的值，但分路電流比 IF大。通常為導(dǎo)通或關(guān)閉狀態(tài)的選擇取決于光耦合器檢測(cè)器部分的所需功能和電路的故障安全操作。在很多應(yīng)用中，需要將 LED 值脈沖驅(qū)動(dòng)至超過(guò)器件的直流額定值。在這種情況下， “ 脈沖 ” 被定義為在LED、引線框和環(huán)境之間建立熱平衡前出現(xiàn)并結(jié)束的導(dǎo)通 - 關(guān)斷瞬態(tài)。這種平衡通常在一毫秒內(nèi)出現(xiàn)。對(duì)于微秒范圍內(nèi)的脈沖，若占空比較低， IF 可以被驅(qū)動(dòng)超過(guò)直流額定值。圖 16 中的圖表顯示過(guò)驅(qū)量、占空比和脈沖寬度之間的關(guān)系。過(guò)驅(qū)規(guī)范為器件數(shù)據(jù)表中列出的最大IDC 值。占空比較高、脈沖寬度較短時(shí)，平均功耗為限制性參數(shù)。對(duì)于較長(zhǎng)的脈沖寬度，在占空比值較低時(shí)出現(xiàn)平衡溫度，此時(shí)峰值功率為限制性參數(shù)。

占空比為 1% 或更低時(shí)，脈沖類似偶然出現(xiàn)的浪涌，允許采用其它額定值，如整流二極管中使用的 I2t。生命周期計(jì)算中應(yīng)采用平均電流。在選擇驅(qū)動(dòng)條件時(shí)，必須考慮檢測(cè)器的脈沖響應(yīng)。

圖 15. LED 并聯(lián)升壓器邏輯

圖 16. 最大峰值 IF 脈沖，規(guī)范為最大 IDC ( 適用于脈沖寬度（PW）和占空比（%）

LED分流技術(shù)

有時(shí)，不希望輸入電流全部通過(guò) LED。要達(dá)到此目的，可以采用圖 7 中推薦的旁通電阻來(lái)調(diào)整閥值。當(dāng)完全打開或關(guān)閉輸入電流時(shí)，這種方法非常適用，但若電流信息僅為恒定直流電平上的小幅變動(dòng)時(shí)，旁通電阻同時(shí)旁通了 LED 需要的大部分信號(hào)。有兩種方法可用來(lái)獲取具有少量削減的信號(hào)。若信號(hào)變化迅速 （如電話線路上的音頻信號(hào)），可通過(guò)反饋電路取消檢測(cè)器中的直流分量。

若信號(hào)變化較慢，可以用動(dòng)態(tài)分流電阻取代固定電阻。若采用恒流器件或電路與 LED 并聯(lián) （如圖 17 所示），經(jīng)過(guò)調(diào)整的直流分量會(huì)通過(guò)動(dòng)態(tài)電阻，電流的任何變動(dòng)都將導(dǎo)致終端電壓的改變。因此，經(jīng)過(guò)一系列變化的電流將通過(guò)并聯(lián) LED 電路。圖 18 顯示這個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)整集中于 IL= 120 mA，且電路節(jié)點(diǎn)電壓為 3.4 伏特的特定電路的性能。如電路所示，為方便起見，采用CNY17-1 和 CNY17-4 的檢測(cè)器部分。

注意，在圖 18 中，多數(shù)電流變化顯示為 IF。直流電阻 (RD) 和動(dòng)態(tài)分流電阻 (Rd) 之間的比例為 50，表示通過(guò)固定電阻獲得的信號(hào)傳輸增益。

圖 17. 恒定分流電阻

圖 18. 分流電阻的性能