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抗干扰神器光耦方面的知识梳理

光隔离器,也称光耦。在电路设计中大量应用设计,今天来梳理一下光耦方面的知识。光耦虽简单,但也有些地方需要注意。

何为光隔离器光隔离器opto-isolator,是用于光在两个隔离电路之间传输电信号的电子元件。也称为光电耦合器,光耦合器。

常见类型的光隔离器由同一不透明封装中的发光二极管LED、光电晶体管组成。通常光隔离器传输数字(开-关)信号,但也有的光耦可以传输模拟信号。

光将源-接收端耦合起来,这就是耦合的含义;

耦合之外还有一层含义是去耦合,有的噪声信号无法通过光信号传递到接收侧,这就是去耦合。

所以一般理解耦合的理解,往往带有一体两面,一方面将设计所关心的有用信号传输到接收侧;另一方面将不需要的杂讯信号,阻挡在源端。

有的光耦可以传输模拟信号

它是怎样工作的光耦包含一个光源,一般是一个近红外发光二极管 (LED),一个封闭的光通道和一个光电传感器组成。

近红外发光二极管将输入端电信号转换为光信号,经过封闭的光通道,光电传感器检测到LED发出的光信号,并转换为电能或调制从外部电源流出的电流

光电传感器可以是光敏电阻、光电二极管、光电晶体管、可控硅整流器 (SCR) 或双向可控硅。由于 LED 除了发射光之外还可以感应光,因此可以构建对称的双向光隔离器。光耦合固态继电器包含一个光电二极管光隔离器,用于驱动电源开关,通常是一对互补的MOSFET

正常数字信号经由光耦能顺利耦合传输到另一侧,而输入侧各种干扰杂讯信号则无法通过光耦传递到输出侧。

常见的隔离技术有:光电隔离、继电器隔离、变压器隔离等。光介质、磁介质隔离是主要的两种技术手段。

为什么干扰信号大概率无法通过光耦呢?

干扰源的内阻一般都很大,虽然也能输出比较高的干扰电压,但是可输出的能量一般很小,只能在回路中形成很小的干扰电流,这些干扰电流由于很小,则无法激励发光二极管发光,发光二极管需要一定大的电流才能发射出光能,由于没有足够的能量,则无法闯关成功,被阻挡在输入侧了。

光耦本身的输入阻抗很低,而干扰源的内阻一般很大,从这个角度讲,干扰源输出信号按照分压原理,施加到LED的干扰电压也很小。

光耦输入/输出侧等效电容很小,PF量级,绝缘电阻又非常大,一般可达到

光在封闭的光路中进行传输,光路不会受到外接光的干扰。

为什么需要隔离电子产品的信号线或者电源线可能会受到闪电、静电放电、射频传输、开关脉冲和电源扰动引起的电压浪涌的影响。

雷击可引起高达10kV的浪涌电压,比许多电子元件的电压限制高出一千倍。产品电路本身也可能包含高压电路,在这种情况下,就需要安全、可靠的方式将高压电路与数字低压器件连接起来,那么隔离技术就是一个很好的技术手段。

光隔离器的主要功能是阻止这种高电压以及电压瞬变,使系统某一部分的浪涌不会干扰或破坏其他部分。

常见的光耦结构常见的光耦合器有四种形式,不同之处在于所使用的光敏器件。光电三极管和光电达林顿管通常用于直流电路,光电可控硅和光电双向可控硅用于控制交流电路。在光电三极管光耦合器中,晶体管可以是 PNP 或 NPN。达林顿晶体管是一对双晶体管,其中一个晶体管控制另一个晶体管的基极。达林顿晶体管提供高增益能力。

举个栗子曾经使用光耦隔离驱动一个DA芯片,该DA量输出需要控制其他设备,该模拟输出需要与数字控制部分做隔离,下面是其中的部分电路:

抗干扰神器光耦方面的知识梳理

其中两个指标稍作说明:这款光耦速度比较快,可以做到1MBit/s。选择光耦的时候,需要考虑光耦的速度是否够用。

这里有个术语CMR,是指Common Mode Rejection的缩写,什么意思呢?

抗干扰神器光耦方面的知识梳理

在输入与输出脚之间施加一个瞬变的脉冲电压,在如上测试该指标测试电路中会测得一个输出电压的变化,因此该指标就是定义输出Vo在该测试条件下,上升沿、下降沿的变化速率。

使用光耦个人觉得需要注意的一些要点:

限流电阻选取

输入输出侧需要为隔离电源

限流电阻要计算输入限流电阻,需要查询所选取的光耦的前向工作电压的典型值,比如FODM453,输入正向工作电压典型值为1.6V

比如按照规格书中的典型测试值16mA选择电阻,则

因此实际电路中,比如我选择了200Ω,电流为17mA,小于允许的50mA。

事实上电阻再选大一点,比如使正向电流为10mA,电阻大约300Ω,也是可以的。

限流电阻如果选择过大,则正向电流又可能过小,有可能导致无法正确传递信号;如果电阻选择过小,则正向电流有可能过大,则容易损坏光耦。

电源输入侧与输出侧需要单独供电,两路电源需要没有直接回路,才能真正的实现光隔离,比如如接成下面这样:

抗干扰神器光耦方面的知识梳理

两侧虽然电源电压不一样,但是如果是共地的,如果想用光耦做隔离,则光耦就白用了,隔离作用全无。当然这样可以做逻辑电平转换,但是用光耦只做逻辑电平转换,则有点不合算,完全可以用专门的逻辑电平转换芯片。

这样的栗子,也捎带着说明,光耦在隔离的同时,两侧的电压等级设计不一样,还可以实现逻辑电平转换。比如现在很多芯片的IO脚电平是1.8/3.3V,而外部电路可能是5V或者其他电平,如果还需要实现隔离,则可以选择光耦。

总结一下之前做过些简单硬件相关的工作,硬件很多知识很复杂。光耦在抗干扰方面应用很多,尤其在一些工业设备中,常见的输入、输出接口大概率都会设计成带隔离的接口,你或许会看到Galvanic isolation这样一个需求术语,那么光耦隔离技术就是其中的一种实现手段。

责任编辑:haq

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