光电耦合器原理及应用介绍

2021年6月29日 5点热度 0条评论 来源: TomiTwo

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光电耦合器原理及应用介绍

一、 光电耦合器原理及组成

1,原理。光电耦合器,通常简称为光耦。其基本原理是以光作为媒介,来传输电信号。在一些特殊的应用场合,会要求输入/输出端实现电气隔离,这样就不能使用传统的电子器件来传输电信号,光耦正是为了适应这样的场合而诞生。光耦的输入端采用发光二极管,用电信号驱动半导体发光器件发光(通常为红外光),而接收端是光敏管,将接收到的光信号,转换为电信号输出。通过电->->电的转换,既可以传输信号,又实现了电气隔离的目的。如下图:

2,组成。为实现电->光转换,需要发光二极管;而光->的转换,则需要光敏管;为消除外界光的干扰,通常是将发送/接收端用不透光的材料封装起来,将输入/输出PIN接出;而为了实现高的电气隔离强度,则要求封装材料有高的绝缘强度。所以通常光耦器件由以下几部分组成:发光二极管、光敏管(通常是光敏三极管)、封装材料、输入/输出PIN。如下图是某光耦的X-ray照片:

二、 光电耦合器的制造

光耦通常采用DIPSMD封装,实际的工艺流程将红外LED、硅光敏三极管封装起来,并形成输入/输出引脚,这个过程与IC封装类似,不同之处在于其选材及关键工艺控制。通常光耦的工艺流程如下:

陶瓷基座制作厚膜电路制作芯片(IR LEDPDASIC)测试芯片烧结压焊中测耦合对准装架封装检漏中测老化筛选末测。

根据工艺流程,业界通过对光耦生产中不良品的解剖分析,结合光耦自身特点,总结了一些影响光耦可靠性的工艺因素:
    1.银胶对可靠性影响
    装架采用银浆粘片工艺,可以满足芯片有较好欧姆接触,较低正向压降,但不同品牌银胶与各种芯片材料及支架粘结力不同,贮存及使用寿命也相差很多。使用不当会造成芯片与支架粘结不牢影响键合甚至产生掉片。
     2.手工装架、键合质量对可靠性影响
     由于红外芯片长宽都只有0.3mm,且材料易碎。所以手工装架容易出现质量问题,所以通常采用自动装架键合机。
     3.内包封、注塑外包封对可靠性影响
     光耦在内包封点胶时,针头碰到金丝会在胶体中产生虚焊、断丝、倒丝等不良情况。由于内包封材料弹性好,不良品很难筛选干净,影响产品可靠性。另外,内包封材料与塑封料热匹配差异较大,外包封后两者结合并不十分紧密。由于光耦结构上塑封体与支架粘结部分较小,封装粘模时会使条带变形,由于起模时塑封体内部尚末完全固化,受力后会产生空隙,引起管脚松动,造成内引线在引线框架处拉断虚焊,形成断续性开路。所以选择结合良好的塑封料和引线框架,改进工艺方法杜绝封装时拉断内引线,就可以提高产品密封性和器件稳定性。



光电耦合器参数释义

光耦的技术参数可分为输入特性、输出特性、传输特性、隔离特性等几大部分。

3.1          输入特性

光耦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。

2.      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。

3.      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。

4.      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。

5.      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。

6.      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

7.      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。

3.2          输出特性

光耦的输入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IcCollector 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VceoC-E Voltage

集电极-发射极所能承受的电压。

3.       发射极-集电极电压VecoE-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Vcd(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/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。

3.3          传输特性

1.上升时间Tr Rise Time& 下降时间TfFall 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%90%,所需时间为脉冲上升时间tr。从输出脉冲后沿幅度的90%10%,所需时间为脉冲下降时间tf

2.电流传输比CTRCurrent Transfer Radio

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

3.4          隔离特性

1. 入出间隔离电容CioIsolation Capacitance

光耦合器件输入端和输出端之间的电容值

2. 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。

3. 入出间隔离电压VioIsolation Voltage

光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。

其它参数诸如工作温度、耗散功率等不再一一敷述。

光电耦合器分类及应用

4.1       分类

按传输特性,通常将光电耦合器分为两类:一类是非线性光耦;一类是线性光耦。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的,这类光耦适合于传输开关信号,不适合于传输模拟量。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。所以通常需要传输模拟信号的场合,如开关电源输出端反馈信号与输入端信号的隔离,就需采用线性光耦;而传输逻辑信号的场合,如采样信号与单片机输入之间,通常会采用非线性光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样,虽然两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电路的非线性特性都是一样的。就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。按结构类型,又可将光耦分为: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。下面举例介绍一下通用型及达林顿输出型。在通用型光耦合器中,接收端是一只硅光电管,因此在B-E之间只有一个硅PN结;达林顿型光耦不然,它由复合管构成,两个硅PN结串联成复合管的发射结,因此达林顿光耦有更大的电流传输比(通常达林顿型光耦的CTR比通用型光耦大1~2个数量级),从而就拥有更大的驱动能力,如下图。

4.2      应用

由于光耦优点突出:如信号单向传输,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,传输效率高等;并且其结构及种类十分繁多,因而其应用十分广泛,主要应用以下场合:
  (1) 在逻辑电路上的应用
  光电耦合器可以构成各种逻辑电路,由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好,因此由它构成的逻辑电路更可靠。需要注意的是光耦的传输速率能否满足逻辑电路的需要。
  (2) 作为固体开关应用
  在开关电路中,往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离,对于一般的电子开关来说是很难做到的,但用光电耦合器却很容易实现。对于开关电路,除了要求光耦有好的隔离性能外,开关时间也非常重要。
  (3) 在触发电路上的应用
  将光电耦合器用于双稳态输出电路,由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路,可有效地解决输出与负载隔离地问题。由于温度对于光耦的暗电流及LED的稳定性均有影响,所以要十分注意此类电路的使用环境。
  (4) 在脉冲放大电路中的应用
  光电耦合器应用于数字电路,可以将脉冲信号进行放大。
  (5) 在线性电路上的应用
  线性光电耦合器应用于线性电路中,具有较高地线性度以及优良的电隔离性能。这类电路一般用于模拟信号的传输,如开关电源电路中。

      (6) 其它特殊场合的应用
  光电耦合器还可应用于高压控制,取代变压器,代替触点继电器以及用于a/d电路等多种场合。还可用于工业控制,以弱信号驱动大功率设备等。

下面举例说明。

如下图:单片机与RS485通讯口之间的采用光耦隔离,从而使单片机免受外界信号的干扰及突波的冲击。因通常RS485接口与单片机之间的通讯为数字信号,对线性度要求不是很高,但通信的波特率都比较高,如果光耦传输波形上升/下降速度过慢,则会成为整个通信系统的瓶颈。所以此处应选取高速光耦。而且与光耦匹配的电阻的阻值也需要最优化。例如:电阻R2R3如果选取得较大,将会使光耦的发光管由截止进入饱和变得较慢;如果选取得过小,退出饱和也会很慢,所以这两只电阻的数值要精心选取,通常可以由实验来定。

选型要点:1CTR及线性度;2,隔离特性;3,上升/下降速度;4,隔离电容;5,驱动能力;6,输入电流。

更多实例,请参考http://bbs.elecfans.com/dv_rss_xhtml_54_6214_1.html

二、 供应商介绍

SHARP夏普(日本夏普光电分公司成立于1960年,在日本SHINJOTENRI及海外都设有工厂和研发中心,其光电半导体产品的销售量持续二十年稳居全球第一位。)

TOSHIBA东芝

FAIRCHILD仙童

AGLIENT安捷伦(1995年从HP独立出来)

NEC日电

VISHAY威世

BRIGHT佰鸿

COSMO冠西

MOTOROLA摩托罗拉

PHILIPS菲利浦

EVERLIGHT亿光

PANASONIC松下

    原文作者:TomiTwo
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