關(guān)注 星標(biāo)公眾號(hào)，不錯(cuò)過精彩內(nèi)容

來源 | 嵌入式客棧

?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(shí)。光耦雖簡(jiǎn)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(hào)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(hào)，但也有的光耦可以傳輸模擬信號(hào)。

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(hào)無法通過光信號(hào)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(hào)傳輸?shù)浇邮諅?cè)；另一方面將不需要的雜訊信號(hào)，阻擋在源端。

有的光耦可以傳輸模擬信號(hào)

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(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，經(jīng)過封閉的光通道，光電傳感器檢測(cè)到LED發(fā)出的光信號(hào)，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(duì)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(dòng)電源開關(guān)，通常是一對(duì)互補(bǔ)的MOSFET。

看下面的動(dòng)畫就比較形象啦：

正常數(shù)字信號(hào)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(hào)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(hào)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(lì)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(hào)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(jí)，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(huì)受到外接光的干擾。

為什么需要隔離

電子產(chǎn)品的信號(hào)線或者電源線可能會(huì)受到閃電、靜電放電、射頻傳輸、開關(guān)脈沖和電源擾動(dòng)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(huì)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(duì)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(dòng)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(cè)試該指標(biāo)測(cè)試電路中會(huì)測(cè)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(cè)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

限流電阻

要計(jì)算輸入限流電阻，需要查詢所選取的光耦的前向工作電壓的典型值，比如FODM453，輸入正向工作電壓典型值為1.6V

比如按照規(guī)格書中的典型測(cè)試值16mA選擇電阻，則

因此實(shí)際電路中，比如我選擇了200Ω，電流為17mA，小于允許的50mA。

事實(shí)上電阻再選大一點(diǎn)，比如使正向電流為10mA,電阻大約300Ω，也是可以的。

限流電阻如果選擇過大，則正向電流又可能過小，有可能導(dǎo)致無法正確傳遞信號(hào)；如果電阻選擇過小，則正向電流有可能過大，則容易損壞光耦。

電源

輸入側(cè)與輸出側(cè)需要單獨(dú)供電，兩路電源需要沒有直接回路，才能真正的實(shí)現(xiàn)光隔離，比如如接成下面這樣：

兩側(cè)雖然電源電壓不一樣，但是如果是共地的，如果想用光耦做隔離，則光耦就白用了，隔離作用全無。當(dāng)然這樣可以做邏輯電平轉(zhuǎn)換，但是用光耦只做邏輯電平轉(zhuǎn)換，則有點(diǎn)不合算，完全可以用專門的邏輯電平轉(zhuǎn)換芯片。

這樣的栗子，也捎帶著說明，光耦在隔離的同時(shí)，兩側(cè)的電壓等級(jí)設(shè)計(jì)不一樣，還可以實(shí)現(xiàn)邏輯電平轉(zhuǎn)換。比如現(xiàn)在很多芯片的IO腳電平是1.8/3.3V，而外部電路可能是5V或者其他電平，如果還需要實(shí)現(xiàn)隔離，則可以選擇光耦。

總結(jié)一下

之前做過些簡(jiǎn)單硬件相關(guān)的工作，硬件很多知識(shí)很復(fù)雜。光耦在抗干擾方面應(yīng)用很多，尤其在一些工業(yè)設(shè)備中，常見的輸入、輸出接口大概率都會(huì)設(shè)計(jì)成帶隔離的接口，你或許會(huì)看到Galvanic isolation這樣一個(gè)需求術(shù)語，那么光耦隔離技術(shù)就是其中的一種實(shí)現(xiàn)手段。

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