光耦合器在通信中的應(yīng)用探討
2015-04-29 00:00:00楊海平
【摘 要】本文論述光耦合器在通信傳輸中作為電氣隔離方法的意義與可行性，提出舉例說明和目的目標(biāo)。
【關(guān)鍵詞】光耦合器；通信；電氣隔離；意義；可行性；舉例；目標(biāo)
0.引言
如今的世界里通信傳輸已廣泛存在于我們的日常生活中，被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也已經(jīng)成為了生產(chǎn)生活中重要的生產(chǎn)資料。同時(shí)作為傳輸終端的通信機(jī)或通信模塊經(jīng)常會面臨來自通信線路本身可能引來的大電流（電涌、雷擊）損害，這時(shí)就需要找到一種有效、可靠、低成本的電氣隔離方法。
光耦合器亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，具有體積小、壽命長、無觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點(diǎn)。[1]
1.光電耦合機(jī)制介紹
1.1光電耦合原理
光耦合器一般由三部分組成：（1）光的發(fā)射、（2）光的接收及（3）信號放大。輸入的電信號驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性的特點(diǎn)，因此具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大提高計(jì)算機(jī)工作的可靠性。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。
1.2光電耦合種類
光電耦合可分為兩種：一種是非線性光耦，另一種是非線性光耦。非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關(guān)信號的傳輸，不適合模擬量的傳輸，所以本文主要介紹的就是非線性光耦。
光耦合還有如下幾種分類：
（1）按光路徑分，可分為外光路光電耦合和內(nèi)光路光電耦合。其中外光路光電耦合又可分為透過型光電耦合和反射型光電耦合。
（2）按輸出形式分，光敏器件輸出型、NPN三極管輸出型、達(dá)林頓三極管輸出型、邏輯門電路輸出型、低導(dǎo)通輸出型、光開關(guān)輸出型、功率輸出型。
（3）按傳輸信號分，可分為數(shù)字型光電耦合和模擬輸出光電耦合。
（4）按速度分，可分為低速光電耦合和高速光電耦合。
（5）按通道分，可分為單通道、雙通道和多通道光電耦合。
（6）按隔離特性分，可分為普通隔離光電耦合和高壓隔離光電耦合。
（7）按工作電壓分，可分為低電源電壓型光電耦合和高電源電壓光電耦合。
1.3光電耦合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
（1）輸入和輸出端之間絕緣，其絕緣電阻一般都大于10000MΩ，耐壓一般可超過1kV，有的甚至可以達(dá)到10kV以上。
（2）光接收器只能接受光源的信息，反之不能，所以信號從光源單向傳輸?shù)焦饨邮掌鲿r(shí)不會出現(xiàn)反饋現(xiàn)象，其輸出信號也不會影響輸入端。
（3）發(fā)光器件是阻抗電流驅(qū)動(dòng)性器件，而噪音是一種高內(nèi)阻微電流電壓信號。因此光電耦合器的共模抑制比很大，所以，光電耦合可以很好地抑制干擾并消除噪音。
（4）容易和邏輯電路配合。
（5）響應(yīng)速度快。光電耦合的時(shí)間常數(shù)通常在毫秒甚至微秒級。
（6）無觸點(diǎn)、壽命長、體積小、耐沖擊。
1.4光電耦合的技術(shù)特性指標(biāo)
輸入輸出極限特性：
（1）VR LED發(fā)光二極管最大反向電壓 單位：v（伏特）。
（2）IF LED發(fā)光二極管最大正向電流 單位：mA（毫安）。
（3）PD LED發(fā)光二極管最大功耗 單位：mW（毫瓦）。
（4）VCEO三極管集電極發(fā)射極最大電壓 單位：v（伏特）。
（5）VECO三極管發(fā)射極集電極最大電壓 單位：v（伏特）。
（6）VCBO三極管集電極基極最大電壓 單位：v（伏特）。
（7）IC三極管集電極最大持續(xù)電流 單位：mA（毫安）。
（8）PD三極管最大功耗 單位：mW（毫瓦）。
（9）VISO光耦合最大交流隔離電壓 單位：v（伏特）。
（10）TA工作允許環(huán)境溫度 單位：℃（攝氏度）。
工作時(shí)電氣特性：
（1）Vf LED發(fā)光二極管正向工作電壓 單位：v（伏特）。
（2）Ir LED發(fā)光二極管反向擊穿電流 單位：mA（毫安）。
（3）hFE三極管之流電流增益 單位：倍。
（4）Ic三極管集電極電流 單位：mA（毫安）。
（5）VCE三極管集電極基極飽和電壓 單位：v（伏特）。
（6）ton脈沖接通時(shí)間 單位：μs（微秒）。
（7）toff 脈沖關(guān)閉時(shí)間 單位：μs（微秒）。
（8）tr 脈沖上升時(shí)間 單位：μs（微秒）。
（9）tf 脈沖下降時(shí)間 單位：μs（微秒）。
2.光電耦器件舉例說明
2.1 4n25光電耦合器的實(shí)際應(yīng)用
本文將以4n25型光電耦合器為例來說明實(shí)際應(yīng)用，4n25是一種常用的光電耦合器，主要性能參數(shù)見motorala 4n25 datasheet[2]。最大反向電壓達(dá)到3伏特，最大隔離電壓達(dá)到7500伏特，在二極管正向電流10mA、三極管輸出上拉電壓10v、上拉電阻100歐姆的情況下脈沖開啟、關(guān)閉時(shí)間分別是2.8微秒和4.5微秒，脈沖上升、下降時(shí)間分別是1.2微秒和1.3微秒。
接下來以50%占空比的二進(jìn)制9600波特率速度的信號脈沖來計(jì)算，一個(gè)這樣的脈沖信號其脈寬長度t更具公式t=1/（波特率x2）可知道脈寬t大約為50微秒。那么4n25所具備的脈沖開啟時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間、上升時(shí)間、下降時(shí)間足夠應(yīng)用于一個(gè)二進(jìn)制9600波特率信號的電氣隔離需求。
2.2 4n25光電耦合器的電氣特性圖分析及選型說明
首先來看圖1[2]，圖中的兩幅圖分別是三極管集電極電流與三極管集電極發(fā)射極的電壓關(guān)系圖和三極管集電極電流受溫度影響的關(guān)系圖。從電壓關(guān)系圖中可以發(fā)現(xiàn)4n25型光電耦合器在二極管輸入電流為10mA時(shí)，三極管輸出電流跟隨三極管集電極發(fā)射極電壓有良好的線性變化段；從溫度特性圖中同樣可以獲取信息，4n25型光電耦合器在-10℃到45攝氏度間能保持良好的集電極電流穩(wěn)定性。因此在實(shí)際應(yīng)用選型器件是可以根據(jù)器件特性曲線選擇滿足設(shè)計(jì)應(yīng)用需要的器件作為光耦合隔離器件。
3.總結(jié)
光電耦合憑借自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將電氣通過光電轉(zhuǎn)換來隔離開來，可以有效的成為通信模塊獨(dú)有的高效防雷、防電涌手段。在使用光電耦合器作為電隔離的方式時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際通信速率和使用環(huán)境的要求來對應(yīng)地選擇符合要求的光電耦合器型號。
【參考文獻(xiàn)】
[1]王慶有.光電技術(shù).電子工業(yè)出版社.
[2]MOTOROLA，6-Pin DIP Optoisolators Transistor Output.
