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[技术讨论]

光电耦合器的应用

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sinasun|  楼主 | 2023-2-23 20:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 sinasun 于 2023-2-23 20:48 编辑

光耦是将发光二极管和光电探测器都集成在一个封装的器件中。和其他光学器件不同的是,光不会发射到封装外,虽然光耦是一种光学器件,但是它不处理光信号,而是处理电信号。光耦以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以,它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件,可以大大提高计算机工作的可靠性。
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在光耦内部封装了一个LED灯和一个光电二极管,当给LED通上电流后,LED发出的光就能让三极管导通。由于次级使用的是光电三极管,提供的光照越强,流过三极管的电流就越大。
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从原理结构图可以看出,最右边是N型衬底,通过扩散工艺形成P区,再在P区扩散磷形成重渗杂的N区,这一部分和一般的三极管制造工艺产不多。随后在重渗杂的N区涂上氧化硅作为保护层。然后再工艺开窗,形成一个集电极,形成一个感光区。中间的P区作为基区,N型衬底是发射区,面积最大。一般基区是不引出引线的,当感光区有光照入,就会形成光电流,这是由于基极-集电极吸收光,产生光生载流子,在集电极偏置电场作用下,电子向集电极运动,空穴向基极运动,从而形成光生电流Ip,集电极正偏,发射极反偏,光生电流放大,产生集电极电流,CE之间导通。
从光电三极管特性可知,需要偏置电压的作用,才会产生光生电流。所以在没有偏置电压的情况下,无论光照强度有多强,集电极电流都为零。光电三极管和光电二极管相比,增加了两个结电容,所以光电三极管的时间响应比光电二极管差,因此光耦在高频信号传输的应用是没有优势,时间延迟制约了。
了解了光电三极管的原理,对于光耦的应用也就上手的快。在光耦器件选型的时候,会对电流传输比CTR这个参数重点关注,CTR是光照强度转化为电流参数的一个表征。这个CTR决定了光电三极管的导通强度。当一个光耦的CTR越高,表明光照强度越弱,导通能力越强。以PC817A为例,当原边发光二极管流过电流IF=5mA,其CTR在80%到160%,典型值一般是120%,这表示当原边IF=5mA,次级三极管流过的电路IC=IF*120%=6mA.
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但是不是所有原边IF都有5mA的电流,如果原边IF很小,那么CTR也会变得很小,此时就要关注CTR曲线。对于右图使用PC817的电路,光电三极管不一定能导通的。
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光电三极管如果导通,需要IC=(12V-Vce_sat)/R2=119uA
此时原边电流IF=(5V-VF)/R1=200uA, 根据CTR曲线,当IF=200uA的时候,CTR=50左右,
按照CTR定义,此时计算得到的IC_actual=100uA<119uA
那么此时,次级光电三极管肯定是不能工作在饱和区,Vce=1V左右,工作在方法区。
通过仿真可以得到和理论计算一样的结果,Vce=1.25V,没有达到理想设计的饱和区。
所以实际设计电路的时候,要根据datasheet的参数,选择对应的阻容参数,才能设计出理想的电路图。
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21ic小管家 打赏了 50.00 元 2023-03-14
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cooldog123pp 2023-2-24 08:48 回复TA
讲的很详细哦。 

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天意无罪| | 2023-2-23 21:53 | 显示全部楼层
光耦的缺点就是前端二极管存在光衰问题,另外如果保护没有做好的话,容易被击穿。

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王栋春 2023-2-24 22:12 回复TA
有没有什么简单易行针对光耦的检测方法? 
cooldog123pp| | 2023-2-24 08:48 | 显示全部楼层
楼主讲的很详细,非常感谢楼主的讲解,mark一下,收藏学习,受教受教。

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jameswangchip| | 2023-2-24 19:25 | 显示全部楼层
可以讲讲线性光耦吗?

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