光耦参数解释及设计注意事项

一：光耦参数解释

1、正向工作电压f V （forward voltage ）：f V 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f I =10mA 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。

2、正向电流f I ：在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流。

3、反向工作电压r V （reverse voltage ）：是指原边发光二极管所能承受的最大反向电压，超过此反向电压，可能会损坏LED 。而一般光耦中，这个参数只有5V 左右，在存在反压或振荡的条件下使用时，要特别注意不要超过反向电压。如，在使用交流脉冲驱动LED 时，需要增加保护电路。

4、反向电流r I ：在被测管两端加规定反向工作电压r V 时，二极管中流过的电流。

5、反向击穿电压br V ：：被测管通过的反向电流r I 为规定值时，在两极间所产生的电压降。

6、结电容j C ：在规定偏压下，被测管两端的电容值。

7、电流传输比CTR(current transfer ratio )：指在直流工作条件下，光耦的输出电流与输入电流之间的比值。光耦的CTR 类似于三极管的电流放大倍数，是光耦的一个极为重要的参数，它取决于光耦的输入电流和输出电流值及电耦的电源电压值，这几个参数共同决定了光耦工作在放大状态还是开关状态，其计算方法与三极管工作状态计算方法类似。若输入电流、输出电流、电流传输比设计搭配不合理，可能导致电路不能工作在预想的工作状态。

8、集电极电流c I （collector current ）：如上图，光敏三极管集电极所流过的电流，通常表示其最大值。

9、输出饱和压降VCE(sat)：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。

10、反向击穿电压ceo ）（BR V ：发光二极管开路，集电极电流c I 为规定值，集电极与发射集间的电压降。

11、反向截止电流ceo I ：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。

12、C-E 饱和电压ce V （C-E saturation voltage ）：光敏三极管的集电极-发射极饱和压降。

13、入出间隔离电容io C ：光耦合器件输入端和输出端之间的电容值。

14、入出间隔离电阻io R ：半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。

15、入出间隔离电压io V ：光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值

16、传输延迟时间PHL T 、PLH T ：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流FP I 的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输入脉冲前沿幅度的50%到输出脉冲电平下降到1.5V 时所需时间为传输延迟时间PHL T 。从输入脉冲后沿幅度的50%到输出脉冲电平上升到1.5V 时所需时间为传输延迟时间PLH T 。

17、上升时间Tr (Rise Time)& 下降时间f T (Fall Time)，其定义与典型测试方法如下图所示，它们反映了工作在开关状态的光耦，其开关速度情况。

二：使用光耦隔离需要考虑以下几个问题

①光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问题；

②光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题；

③如果输出有功率要求的话，还得考虑光耦的功率接口设计问题。

1 光电耦合器非线性的克服

光电耦合器的输入端是发光二极管，因此，它的输入特性可用发光二极管的伏安特性来表示，如图1b所示；输出端是光敏三极管，因此光敏三极管的伏安特性就是它的输出特性，如图1c所示。由图可见，光电耦合器存在着非线性工作区域，直接用来传输模拟量时精度较差。

图1 光电耦合器结构及输入、输出特性

解决方法之一，利用2个具有相同非线性传输特性的光电耦合器，T1和T2，以及2个射极跟随器A1和A2组成，如图2所示。如果T1和T2是同型号同批次的光电耦合器，可以认为他们的非线性传输特性是完全一致的，即K1(I1)=K2(I1)，则放大器的电压增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=(R3/R2)[K1(I1)/K2(I1)]=R3/R2。由此可见，利用T1和T2电流传输特性的对称性，利用反馈原理，可以很好的补偿他们原来的非线性。

图2 光电耦合线性电路

另一种模拟量传输的解决方法，就是采用VFC(电压频率转换)方式，如图3所示。现场

变送器输出模拟量信号(假设电压信号)，电压频率转换器将变送器送来的电压信号转换成脉冲序列，通过光耦隔离后送出。在主机侧，通过一个频率电压转换电路将脉冲序列还原成模拟信号。此时，相当于光耦隔离的是数字量，可以消除光耦非线性的影响。这是一种有效、简单易行的模拟量传输方式。

图3 VFC方式传送信号

当然，也可以选择线性光耦进行设计，如精密线性光耦TIL300，高速线性光耦6N135/6N136。线性光耦一般价格比普通光耦高，但是使用方便，设计简单；随着器件价格的下降，使用线性光耦将是趋势。

2 提高光电耦合器的传输速度

当采用光耦隔离数字信号进行控制系统设计时，光电耦合器的传输特性，即传输速度，往往成为系统最大数据传输速率的决定因素。在许多总线式结构的工业测控系统中，为了防止各模块之间的相互干扰，同时不降低通讯波特率，我们不得不采用高速光耦来实现模块之间的相互隔离。常用的高速光耦有6N135/6N136，6N137/6N138。但是，高速光耦价格比较高，导致设计成本提高。这里介绍两种方法来提高普通光耦的开关速度。

由于光耦自身存在的分布电容，对传输速度造成影响，光敏三极管内部存在着分布电容Cbe和Cce，如图4所示。由于光耦的电流传输比较低，其集电极负载电阻不能太小，否则输出电压的摆幅就受到了限制。但是，负载电阻又不宜过大，负载电阻RL越大，由于分布电容的存在，光电耦合器的频率特性就越差，传输延时也越长。

图4 光敏三极管内部分布电容