光电耦合元件可以在二个不共地的电路之间传递信号,二电路之间即使有高压也不会影响。商用的光电耦合元件其输入对输出的耐压可以到10kV,而电压变化率可以快到10kV/μs。
光电耦合元件可分为模拟与数字两种,都是由光发射器和光侦测器组成。光发射器和光侦测器通常会整合到同一个封装,但它们之间除了光束之外不会有任何电气或实体连接。
常见的光电耦合元件是将发光二极管(LED)及光晶体管(LED)放在一个不透明的封装中。其他的组合有LED-光电二极管、LED-LASCR及灯泡-光敏电阻。光电耦合元件一般会传递数字信号,但配合一些技术,也可以用光电耦合元件传送模拟信号。
光电耦合元件广泛用于电气隔离、电平转换、驱动电路及工业通讯中,但因为寄生输入输出电容问题,其共模瞬变抑制(Common-Mode Transient Immunity)能力较弱,此外,其速度受限、光电耦合元件的功耗较高,以及元件容易老化都是其问题。
T型光耦合器:是一种2X2的3端光耦合器,可把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤,或把两根光纤的输入光信号组合在一起,输入一根光纤。主要用做不同分路比的功率分配器或组合器
星型光耦合器:是一种nXm的光耦合器,可把n根光纤输入的光功率组合在一起,均匀的分配给m根光纤
定向光耦合器:是一种2X2或3端或4端光耦合器,用于分别驱除光线中向不同方向传输的光信号,只用于作分路器,不能做合路器
波分复用/解复用器:波分复用器是与波长有关的光耦合器,用于把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起,输入到一根光纤;解复用器用于把一根光纤输出的多个不同波长的光信号分配给不同的光接收机。
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。
输入的电信号驱动光发射源,使之发光,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,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,具有很强的共模抑制能力。所以,它在长线传输资讯中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在电脑数位通信及即时控制中作为信号隔离的界面器件,可以大大增加其工作之可靠性。
光耦合器的光发射源一般会是红外线的发光二极管,将电能转换为特定波长的光,在发射源及接收器之间会有封闭式的光通道(也称为电介质通道),接收器是光感测器,感测特定波长的光,可能直接转换成电能量,也可能由此信号调变外部电源提供的电流。接收器可以是光敏电阻、光电二极管、光晶体管、可控硅整流器(SCR)或TRIAC。发光二极管除了发射光之外,也可以作为光感测元件,因此可以用发光二极管作光感测元件,即为对称性双向光耦合器。光耦合的固态继电器其中由有光电二极管的光耦合器来驱动功率开关,一般是一对互补的MOSFET。开槽光学开关包括光发射源及接收器,但其光通道有开口,若其他物体挡住开口,使光无法通过,则接收器产生的信号也会随之变化。
在设计光耦光电隔离电路时必须正确选择光耦合器的型号及参数,选取原则如下:
(1)由于光电耦合器为信号单向传输器件,而电路中数据的传输是双向的,电路板的尺寸要求一定,结合电路设计的实际要求,就要选择单芯片集成多路光耦的器件;
(2)光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是不小于500%。因为当CTR<500%时,光耦中的led就需要较大的工作电流(>5.0 mA),才能保证信号在长线传输中不发生错误,这会增大光耦的功耗;
(3)光电耦合器的传输速度也是选取光耦必须遵循的原则之一,光耦开关速度过慢,无法对输入电平做出正确反应,会影响电路的正常工作。
(4)推荐采用线性光耦。其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。设计中由于电路输入输出均是一种高低电平信号,故此,电路工作在非线性状态。而在线性应用中,因为信号不失真的传输,所以,应根据动态工作的要求,设置合适的静态工作点,使电路工作在线性状态。
通常情况下,单芯片集成多路光耦的器件速度都比较慢,而速度快的器件大多都是单路的,大量的隔离器件需要占用很大布板面积,也使得设计的成本大大增加。在设计中,受电路板尺寸、传输速度、设计成本等因素限制,无法选用速度上非常占优势的单路光耦器件。
耦合比CR:是一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率总和Pot的比值。
附加损耗:是全部输入端光功率总和Pit和全部输出端光功率Pot的比值。
插入损耗Lt:是一个指定输入端光功率Pic和另一个指定输出端管功率Poe的比值。
方向性DIR(隔离度):是一个指定输入端光功率Pic和由耦合器发射到其他端的光功率Pr的比值。
一致性U:是不同输入端得到的耦合比的均匀性或不同输出端耦合比的等同性。
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