耦合器(opticalcoupler equipment,英文缩写为OCEP)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,光敏电阻)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。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器,由于它具有体积小、寿命长、无触点,抗干扰能力强,输出和输入之间绝缘,单向传输信号等优点,在数字电路上获得广泛的应用。

 

光耦的参数有哪些

图片来源于网络

 

 

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λp(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。

 

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。

 

光耦合器常见的参数有:

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

5. C-E饱和电压Vce(sat)(C-E Saturation Voltage)

 

传输特性:

1.电流传输比CTR(Current Transfer Radio)

2.上升时间Tr (Rise Time)& 下降时间Tf(Fall Time)

其它参数诸如工作温度、耗散功率等不再一一敷述。

 

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。

 

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。

 

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。

 

以下为光电耦合器的常用参数:

1、反向电流IR:在被测管两端加规定反向工作电压VR时,二极管中流过的电流。

2、反向击穿电压VBR:被测管通过的反向电流IR为规定值时,在两极间所产生的电压降

3、正向压降VF:二极管通过的正向电流为规定值时,正负极之间所产生的电压降。

4、正向电流IF:在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流。结电容CJ:在规定偏压下,被测管两端的电容值。

5、反向击穿电压V(BR)CEO:发光二极管开路,集电极电流IC为规定值,集电极与发射集间的电压降。

6、输出饱和压降VCE(sat):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/IF≤CTRmin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。

7、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。

8、电流传输比CTR: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。

9、脉冲上升时间tr,下降时间tf: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。

10、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时所需时间为传输延迟时间tPLH。

11、入出间隔离电容CIO:光耦合器件输入端和输出端之间的电容值。

12、入出间隔离电阻RIO:半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。

13、入出间隔离电压VIO:光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值.

 

为了彻底阻断干扰信号进入系统,不仅信号通路要隔离,而且输入或输出电路与系统的电源也要隔离,即这些电路分别使用相互独立的隔离电源。对于共模干扰,采用隔离技术,即利用变压器或线性光电耦合器,将输入地与输出地断开,使干扰没有回路而被抑制。在开关电源中,光电耦合器是一个是非常重要的外围器件,设计者可以充分的利用它的输入输出隔离作用对单片机进行抗干扰设计,并对变换器进行闭环稳压调节。

 

光耦工作特性

1、共模抑制比很高

在光电耦合器内部,由于发光管和受光器之间的耦合电容很小(2pF以内)所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小,因而共模抑制比很高。

 

2、输出特性

光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下,光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系,当IF=0时,发光二极管不发光,此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流,一般很小。当IF>0时,在一定的IF作用下,所对应的IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系,用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。

 

3、光电耦合器可作为线性耦合器使用

在发光二极管上提供一个偏置电流,再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上,这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号,其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态,传输脉冲信号。在传输脉冲信号时,输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间,不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。