光隔離器,也稱光耦。在電路設(shè)計(jì)中大量應(yīng)用設(shè)計(jì),今天來梳理一下光耦方面的知識。光耦雖簡單,但也有些地方需要注意。
何為光隔離器
光隔離器opto-isolator,是用于光在兩個(gè)隔離電路之間傳輸電信號的電子元件。也稱為光電耦合器,光耦合器。常見類型的光隔離器由同一不透明封裝中的發(fā)光二極管LED、光電晶體管組成。通常光隔離器傳輸數(shù)字(開-關(guān))信號,但也有的光耦可以傳輸模擬信號。光將源-接收端耦合起來,這就是耦合的含義;耦合之外還有一層含義是去耦合,有的噪聲信號無法通過光信號傳遞到接收側(cè),這就是去耦合。所以一般理解耦合的理解,往往帶有一體兩面,一方面將設(shè)計(jì)所關(guān)心的有用信號傳輸?shù)浇邮諅?cè);另一方面將不需要的雜訊信號,阻擋在源端。有的光耦可以傳輸模擬信號它是怎樣工作的
光耦包含一個(gè)光源,一般是一個(gè)近紅外發(fā)光二極管 (LED),一個(gè)封閉的光通道和一個(gè)光電傳感器組成。近紅外發(fā)光二極管將輸入端電信號轉(zhuǎn)換為光信號,經(jīng)過封閉的光通道,光電傳感器檢測到LED發(fā)出的光信號,并轉(zhuǎn)換為電能或調(diào)制從外部電源流出的電流。光電傳感器可以是光敏電阻、光電二極管、光電晶體管、可控硅整流器 (SCR) 或雙向可控硅。由于 LED 除了發(fā)射光之外還可以感應(yīng)光,因此可以構(gòu)建對稱的雙向光隔離器。光耦合固態(tài)繼電器包含一個(gè)光電二極管光隔離器,用于驅(qū)動電源開關(guān),通常是一對互補(bǔ)的MOSFET。看下面的動畫就比較形象啦:正常數(shù)字信號經(jīng)由光耦能順利耦合傳輸?shù)搅硪粋?cè),而輸入側(cè)各種干擾雜訊信號則無法通過光耦傳遞到輸出側(cè)。常見的隔離技術(shù)有:光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離等。光介質(zhì)、磁介質(zhì)隔離是主要的兩種技術(shù)手段。為什么干擾信號大概率無法通過光耦呢?
- 干擾源的內(nèi)阻一般都很大,雖然也能輸出比較高的干擾電壓,但是可輸出的能量一般很小,只能在回路中形成很小的干擾電流,這些干擾電流由于很小,則無法激勵發(fā)光二極管發(fā)光,發(fā)光二極管需要一定大的電流才能發(fā)射出光能,由于沒有足夠的能量,則無法闖關(guān)成功,被阻擋在輸入側(cè)了。
- 光耦本身的輸入阻抗很低,而干擾源的內(nèi)阻一般很大,從這個(gè)角度講,干擾源輸出信號按照分壓原理,施加到LED的干擾電壓也很小。
- 光耦輸入/輸出側(cè)等效電容很小,PF量級,絕緣電阻又非常大,一般可達(dá)到
- 光在封閉的光路中進(jìn)行傳輸,光路不會受到外接光的干擾。
為什么需要隔離
電子產(chǎn)品的信號線或者電源線可能會受到閃電、靜電放電、射頻傳輸、開關(guān)脈沖和電源擾動引起的電壓浪涌的影響。雷擊可引起高達(dá)10kV的浪涌電壓,比許多電子元件的電壓限制高出一千倍。產(chǎn)品電路本身也可能包含高壓電路,在這種情況下,就需要安全、可靠的方式將高壓電路與數(shù)字低壓器件連接起來,那么隔離技術(shù)就是一個(gè)很好的技術(shù)手段。光隔離器的主要功能是阻止這種高電壓以及電壓瞬變,使系統(tǒng)某一部分的浪涌不會干擾或破壞其他部分。常見的光耦結(jié)構(gòu)
常見的光耦合器有四種形式,不同之處在于所使用的光敏器件。光電三極管和光電達(dá)林頓管通常用于直流電路,光電可控硅和光電雙向可控硅用于控制交流電路。在光電三極管光耦合器中,晶體管可以是 PNP 或 NPN。達(dá)林頓晶體管是一對雙晶體管,其中一個(gè)晶體管控制另一個(gè)晶體管的基極。達(dá)林頓晶體管提供高增益能力。舉個(gè)栗子
曾經(jīng)使用光耦隔離驅(qū)動一個(gè)DA芯片,該DA量輸出需要控制其他設(shè)備,該模擬輸出需要與數(shù)字控制部分做隔離,下面是其中的部分電路:先大致看看FODM453這款光耦:其中兩個(gè)指標(biāo)稍作說明:這款光耦速度比較快,可以做到1MBit/s。選擇光耦的時(shí)候,需要考慮光耦的速度是否夠用。這里有個(gè)術(shù)語CMR,是指Common Mode Rejection的縮寫,什么意思呢?在輸入與輸出腳之間施加一個(gè)瞬變的脈沖電壓,在如上測試該指標(biāo)測試電路中會測得一個(gè)輸出電壓的變化,因此該指標(biāo)就是定義輸出Vo在該測試條件下,上升沿、下降沿的變化速率。使用光耦個(gè)人覺得需要注意的一些要點(diǎn):- 限流電阻選取
- 輸入輸出側(cè)需要為隔離電源