PS2701 PS2801 光耦怎樣選型規(guī)范
發(fā)布時(shí)間：2018/5/23
一、文檔說明：
針對(duì)光偶選型，替代，采購(gòu)，檢測(cè)及實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的光偶特性變化引起的產(chǎn)品失效問題，提供指導(dǎo)。
光耦屬于易失效器件，選型和使用過程中要特別的小心。
目前發(fā)現(xiàn)，因光偶的選型，光偶替代，光偶工作電流，工作溫度設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е庐a(chǎn)品出現(xiàn)問題，如何減少選型，設(shè)計(jì)，替代導(dǎo)致的產(chǎn)品問題，這里將制訂出相關(guān)指導(dǎo)性規(guī)范。
二、原理介紹：
光電偶合器件（簡(jiǎn)稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極體）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電—光和光—電的轉(zhuǎn)換器件。光電耦合器分為很多種類，圖1所示為常用的三極管型光電耦合器原理圖。
當(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)光二極體通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無信號(hào)，發(fā)光二極體不亮，光敏三極管截止，CE不通。對(duì)于數(shù)位量，當(dāng)輸入為低電平“0”時(shí)，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時(shí)，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平“ 0”。若基極有引出線則可滿足溫度補(bǔ)償、檢測(cè)調(diào)制要求。這種光耦合器性能較好，價(jià)格便宜，因而應(yīng)用廣泛。
圖一 最常用的光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 三極管接收型 4腳封裝
圖三 光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 雙發(fā)光二極管輸入 三極管接收型 4腳封裝
圖四 光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 可控硅接收型 6腳封裝
圖五 光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 雙二極管接收型 6腳封裝
光電耦合器之所以在傳輸信號(hào)的同時(shí)能有效地抑制尖脈沖和各種雜訊干擾，使通道上的信號(hào)雜訊比大為提高，主要有以下幾方面的原因：
（1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105～106Ω。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會(huì)很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極體發(fā)光，從而被抑制掉了。
（2）光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號(hào)的產(chǎn)生。
（3）光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表。因?yàn)楣怦詈掀骷妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g可以承受幾千伏的高壓。
（4）光電耦合器的回應(yīng)速度極快，其回應(yīng)延遲時(shí)間只有10μs左右，適于對(duì)回應(yīng)速度要求很高的場(chǎng)合。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及 CTR 的計(jì)算方法：
規(guī)格定義 CTR：Ice/IF *100%
(檢測(cè)條件：I F =5 ma Vce=5V, 2701，2801 系列)
三、 光偶主要特性分析，設(shè)計(jì)選型替代要求:
1、 外觀尺寸：
設(shè)計(jì)，選型，替代注意：
? 封裝正確，本體 MARK 字跡要清晰，品牌正確，與技術(shù)規(guī)格書一致；
? 替代時(shí)，如都為標(biāo)準(zhǔn)件封裝，基本上裝配沒有問題，但需注意厚度是否與原料相同，是否滿足整機(jī)的工藝要求。
2、 不同輸入控制電流 IF， CTR 值不同：
由圖表顯示，IF 在 5-15ma 時(shí) CTR 值最大；在小于 5mA 時(shí)(目前我們產(chǎn)品設(shè)計(jì)大多如此)，CTR 值一般小于正常額定規(guī)格值；
Cosmo KPS2801-B 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：
評(píng)注：IF 不同，CTR 不同，且差異非常大；不同 DATECODE 的也有差異，但在 IF=5ma 時(shí)，CTR 值都在規(guī)格（130-260）范圍內(nèi)；
設(shè)計(jì)，選型，替代注意：設(shè)計(jì)時(shí)工作電流應(yīng)接近來料的檢測(cè)電流值（目前大多
IF=5ma）,否則應(yīng)用的 CTR 值無法保證，產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能將很差；
3、不同環(huán)境溫度， CTR 值不同：
由圖表顯示，CTR 值與光偶的工作環(huán)境有關(guān)，溫度太高或太低都小于常溫附近
的檢測(cè)值；
評(píng)注：溫度不同，CTR 不同，溫度太高或太低都低于常溫，且差異很大；
? 設(shè)計(jì)，選型，替代注意：產(chǎn)品在高低溫 CTR 的值是否滿足產(chǎn)品反饋環(huán)路的增益？產(chǎn)品動(dòng)態(tài)穩(wěn)定嗎？開關(guān)機(jī)，輸出是否產(chǎn)生震蕩掉溝等不良。
4、 光偶有RL 阻值大小及工作頻帶帶寬要求：
由圖表可看出：光偶有頻帶要求，如上圖為 KPS-2801 光偶，工作頻率基本在
500KHZ 以內(nèi)，且對(duì)于高頻工作時(shí)，RL（輸出分壓電阻）要小；
設(shè)計(jì)，選型，替代注意：產(chǎn)品工作頻率，RL 選取阻值務(wù)必在帶寬內(nèi)，且考慮 IF
電流大小，VCE 工作壓降；
由圖表可看出：環(huán)境溫度超過 55-60 度后，輸入控制電流 I F 的最大值將隨著溫度上升而顯著減??；
設(shè)計(jì)，選型，替代注意：選取合適的 IF 電流，使輸入控制電流的變動(dòng)都能及時(shí)反饋到輸出端，保證產(chǎn)品反饋環(huán)的穩(wěn)定；
6、環(huán)境溫度與功耗特性曲線：
由圖表可看出：光偶的輸出部分（或集電極）功耗在低溫時(shí)，在溫度高時(shí)數(shù)值
變?。?/span>
設(shè)計(jì)，選型，替代注意：
1，器件常溫時(shí)可提供功耗值；
2，高溫過程變化曲線；
3，有必要計(jì)算產(chǎn)品在高溫工作時(shí)光偶功耗值；
4，替代時(shí)考慮常溫功耗，高溫狀態(tài)替代料是否優(yōu)于原料；
7、Ic,If,Vce 關(guān)系曲線：
由圖表可看出：Vce 必須大于一定電壓，Ic 才能達(dá)到最大，CTR 值才會(huì)大；
設(shè)計(jì)，選型，替代注意：Vce 在電路應(yīng)用中，保證設(shè)計(jì)有一定的電壓值，否則Ic 將較小，CTR 將較小，一般設(shè)計(jì) Vc 應(yīng)大于 3V。
8、CTR 值與工作時(shí)間，工作電流，工作溫度關(guān)系曲線：
由圖表可看出：工作時(shí)間越長(zhǎng)，CTR 值越??；工作溫度越高，CTR 值越小；
工作電流越大，CTR 值越小；
設(shè)計(jì)，選型，替代注意：在設(shè)計(jì)選型時(shí)，在規(guī)格書規(guī)定的工作環(huán)境溫度下，為
了保證產(chǎn)品足夠壽命，需要選取合適的工作電流；
9、CTR 值與工作時(shí)間，工作電流，工作溫度關(guān)系曲線：
由圖表可看出：由于 CB 間接電容的存在，造成輸入與輸出信號(hào)間有個(gè)延遲時(shí)間，部分光藕在使用中將 B 極與地間加個(gè)電阻來減少延遲時(shí)間；設(shè)計(jì)，選型，替代注意：在設(shè)計(jì)選型時(shí)，要了解光耦在信號(hào)傳輸時(shí)，有時(shí)間的延遲問題，因此選型根據(jù)產(chǎn)品的工作頻率來選定不同傳輸速率的光耦，部分可通過調(diào)整電阻來改變頻率響應(yīng)；
10、Vce 漏電流 Iceo 大小與溫度關(guān)系曲線：
由圖表可看出：漏電流 I CBO 與環(huán)境溫度, 工作電壓有關(guān)；溫度越高，漏電流越大，Vce 越高，漏電流越大；
設(shè)計(jì)，選型，替代注意：在設(shè)計(jì)選型時(shí)，需選取 Icbo 小的光耦，電路中取合適R L, 否則后續(xù)控制電路有可能錯(cuò)誤導(dǎo)通；
11、其他特性：
包括基本電氣參數(shù)要求和器件參數(shù)最大值等； 要留意如器件的熱阻大小，絕緣耐壓值等要求也會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)異常。
四、光耦降額規(guī)范
應(yīng)力限制
1、 集電極電壓VC：
在最壞的情況下，集電極電壓VC 必須滿足下表：
應(yīng)力考核點(diǎn) | 產(chǎn)品工作區(qū)域 | B級(jí)產(chǎn)品 | A級(jí)產(chǎn)品 |
集電極電壓Vc | I、II工作區(qū)最壞情況 | ＜80%額定擊穿電壓 | |
2、集電極電流IC：
在最壞的情況下，集電極電流IC 必須滿足下表：
應(yīng)力考核點(diǎn) | 產(chǎn)品工作區(qū)域 | B級(jí)產(chǎn)品 | A級(jí)產(chǎn)品 |
集電極電流IC | I、II工作區(qū)最壞情況 | ＜80%最大額定電流 | |
3、輸入電流IF :
在最壞的情況下，輸入電流IF 必須滿足下表：
應(yīng)力考核點(diǎn) | 產(chǎn)品工作區(qū)域 | B級(jí)產(chǎn)品 | A級(jí)產(chǎn)品 |
輸入電流IF | I、II工作區(qū)最壞情況 | ＜75%最大額定電流 | |
4、結(jié)溫Tj：
在最壞的情況下，結(jié)溫Tj必須滿足下表：
應(yīng)力考核點(diǎn) | 產(chǎn)品工作區(qū)域 | B級(jí)產(chǎn)品 | A級(jí)產(chǎn)品 |
結(jié)溫Tj | I、II工作區(qū)最壞情況 | ＜80%最高允許結(jié)溫 | |
降額考核點(diǎn)的測(cè)試與計(jì)算
1 集電極電壓VC：
對(duì)于非脈沖狀態(tài)下VC的測(cè)試，可以采用萬用表或示波器測(cè)試。對(duì)于脈沖狀態(tài)下VC的測(cè)試，則須采用示波器進(jìn)行測(cè)試。
2 集電極電流IC：
IC等同于集電極電阻RC上的電流，RC的電壓測(cè)試方法可參照11.3.1。
3 輸入電流IF :
IF等同于輸入限流電阻RF上的電流，RF的電壓測(cè)試方法可參照11.3.1。
4 結(jié)溫Tj：
4.1 結(jié)溫與功耗的換算
實(shí)際光耦正常工作的條件限制是結(jié)溫，結(jié)溫可通過器件實(shí)際功耗進(jìn)行計(jì)算。
Tj＝P／PDmax×(Tjmax－25)＋Ta…………………..（a）
Tj＝P×θj-a＋Ta………………………………………..(b)
其中：
Tj ：器件的實(shí)際結(jié)溫
Ta ：器件工作環(huán)境溫度
Tjmax : 器件允許的最高結(jié)溫
PDmax: 器件在環(huán)境溫度25℃下允許的最大功率
P : 器件的實(shí)際功耗
θj-a: 器件由結(jié)到環(huán)境的熱阻
五、光電隔離技術(shù)的應(yīng)用
1、微機(jī)介面電路中的光電隔離
微機(jī)有多個(gè)輸入埠，接收來自遠(yuǎn)處現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳來的狀態(tài)信號(hào)，微機(jī)對(duì)這些信號(hào)處理后，輸出各種控制信號(hào)去執(zhí)行相應(yīng)的操作。在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較惡劣時(shí)，會(huì)存在較大的雜訊干擾，若這些干擾隨輸入信號(hào)一起進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，會(huì)使控制準(zhǔn)確性降低，產(chǎn)生誤動(dòng)作。因而，可在微機(jī)的輸入和輸出端，用光耦作介面，對(duì)信號(hào)及雜訊進(jìn)行隔離。典型的光電耦合電路如圖6所示。該電路主要應(yīng)用在“A／D轉(zhuǎn)換器”的數(shù)位信號(hào)輸出，及由CPU發(fā)出的對(duì)前向通道的控制信號(hào)與類比電路的介面處，從而實(shí)現(xiàn)在不同系統(tǒng)間信號(hào)通路相聯(lián)的同時(shí)，在電氣通路上相互隔離，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)將類比電路和數(shù)位電路相互隔離，起到抑制交叉串?dāng)_的作用。
圖六 光電耦合器接線原理
對(duì)于線性類比電路通道，要求光電耦合器必須具有能夠進(jìn)行線性變換和傳輸?shù)奶匦裕蜻x擇對(duì)管，采用互補(bǔ)電路以提高線性度，或用V／F變換后再用數(shù)位光耦進(jìn)行隔離。
2、功率驅(qū)動(dòng)電路中的光電隔離
在微機(jī)控制系統(tǒng)中，大量應(yīng)用的是開關(guān)量的控制，這些開關(guān)量一般經(jīng)過微機(jī)的I／O輸出，而I／O的驅(qū)動(dòng)能力有限，一般不足以驅(qū)動(dòng)一些點(diǎn)磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動(dòng)介面電路，為避免微機(jī)受到干擾，須采取隔離措施。如可控硅所在的主電路一般是交流強(qiáng)電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機(jī)直接相連，可應(yīng)用光耦合器將微機(jī)控制信號(hào)與可控硅觸發(fā)電路進(jìn)行隔離。電路實(shí)例如圖7所示。
220V交流電壓經(jīng)電阻R1限流后直接加到2個(gè)反向并聯(lián)的光電耦合器GD1，GD2的輸入端。在交流電源的正負(fù)半周，GD1和GD2分別導(dǎo)通，U0輸出低電平，在交流電源正弦波過零的瞬間，GD1和GD2均不導(dǎo)通，U0輸出高電平。該脈沖信號(hào)經(jīng)反閘整形后作為單片機(jī)的中斷請(qǐng)求信號(hào)和可控矽的過零同步信號(hào)。
注意事項(xiàng)
（1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)立的電源，若兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。
（2）當(dāng)用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時(shí)，必須對(duì)所有的信號(hào)（包括數(shù)位量信號(hào)、控制量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒有意義的。
