抗干扰神器光耦的原理及应用
时间:2022-09-18 19:00:00
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来源 | 嵌入式客栈
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。
什么是光隔离器?
光隔离器opto-isolator,它是一种用于在两个隔离电路之间传输电信号的电子元件。又称光电耦合器,光耦合器。
同一不透明包装中常见类型的光隔离器发光二极管LED、光电晶体管组成。数字(开-关)信号通常由光隔离器传输,但有些光耦可以传输模拟信号。
光耦合源-接收端,即耦合的含义;
除耦合外,还有一层含义是去耦合,有些噪声信号不能通过光信号传输到接收侧,即去耦合。
因此,对耦合的一般理解通常有一个集成的两面。一方面,将设计所关心的有用信号传输到接收侧;另一方面,将不必要的杂信号阻挡在源端。
有些光耦可以传输模拟信号
它是如何工作的
光耦合包含光源,通常是近红外发光二极管 (LED),由封闭的光通道和光电传感器组成。
近红外发光二极管将输入端电信号转换为光信号,通过封闭的光通道检测到LED发出的光信号转换为电能或调制从外部电源流出的电流。
光电传感器可用于光敏电阻、光电二极管、光电晶体管、可控硅整流器 (SCR) 或双向可控硅 LED 除了发射光,它还可以感应光,因此可以构建一个对称的双向光隔离器。光耦合固态继电器包括驱动电源开关的光电二极管光隔离器,通常是互补的MOSFET。
看下面的动画比较生动:
正常数字信号通过光耦能顺利耦合传输到另一侧,而输入侧的各种干扰杂信号则不能通过光耦传输到输出侧。
常见的隔离技术有:光电隔离、继电器隔离、变压器隔离等。光介质和磁介质隔离是两种主要技术手段。
为什么干扰信号不能通过光耦?
干扰源内阻一般很大,虽然也可以输出较高的干扰电压,但可输出能量一般很小,只能在电路中形成较小的干扰电流,因为干扰电流很小,不能激励发光二极管发光,发光二极管需要一定的大电流来发射光能,因为没有足够的能量,不能成功突破,阻挡在输入侧。
光耦合本身的输入阻抗很低,干扰源的内阻一般很大。从这个角度来看,干扰源输出信号是按照分压原理施加的LED干扰电压也很小。
光耦输入/输出侧等效电容很小,PF量级,绝缘电阻很大,一般可以达到
光在封闭的光路中传输,光路不会受到外部光的干扰。
为什么需要隔离?
闪电、静电放电、射频传输、开关脉冲和电源干扰可能会影响电子产品的信号线或电源线。
雷击可导致高达10kV浪涌电压是许多电子元件的1000倍。产品电路本身也可能包含高压电路。在这种情况下,需要安全可靠地将高压电路与数字低压设备连接起来,因此隔离技术是一种很好的技术手段。
光隔离器的主要功能是防止高压和电压瞬变,使系统某一部分的浪涌不会干扰或损坏其他部分。
常见的光耦结构
常见的光耦合器有四种形式,区别在于所使用的光敏设备。直流电路通常采用光电三极管和光电达林顿管,交流电路采用光电可控硅和光电双向可控硅。在光电三极管的光耦合器中,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
用光耦隔离驱动DA芯片,该DA量输出需要控制其他设备,模拟输出需要与数字控制部分隔离,以下是电路的一部分:
先大致看看FODM453这款光耦:
其中两个指标稍作说明:这个光耦速度比较快,可以达到1MBit/s。在选择光耦时,需要考虑光耦的速度是否足够。
这里有个术语CMR,是指Common Mode Rejection缩写,什么意思?
在输入和输出脚之间施加瞬态脉冲电压,在上述测试指标测试电路中测量输出电压的变化,因此该指标定义输出Vo在此测试条件下,上升边缘和下降边缘的变化率。
个人认为使用光耦需要注意的一些要点:
选择限流电阻
输入输出侧需要为隔离电源
限流电阻
为了计算输入限流电阻,需要查询所选光耦前向工作电压的典型值,如FODM输入正工作电压的典型值为453.6V
例如,根据规格书中的典型测试值16mA选择电阻,然后
所以在实际电路中,比如我选择了200Ω,电流为17mA,小于允许的50mA。
事实上,电阻更大,例如,正电流为10mA,电阻大约300Ω,也可以。
如果限流电阻选择过大,流可能过小,可能导致信号传输不正确;如果电阻过小,正电流可能过大,容易损坏光耦合。
电源
输入侧和输出侧需要单独供电,两个电源需要没有直接电路,才能真正实现光隔离,如下:
虽然两侧的电源电压不同,但如果它们是共同的,如果你想使用光耦合器进行隔离,光耦合器将是徒劳的,没有隔离效果。当然,这可以进行逻辑电平转换,但光耦合仅进行逻辑电平转换有点不划算,可以使用特殊的逻辑电平转换芯片。
这种栗子,也有说明,光耦合在隔离的同时,两侧的电压等级设计不同,也可以实现逻辑电平转换。例如,现在有很多芯片IO脚电平是1.8/3.3V,而外部电路可能是5V或者其他电平,如果需要隔离,可以选择光耦合。
总结一下
我以前做过一些简单的硬件相关工作,很多硬件知识都很复杂。光耦合广泛应用于抗干扰,特别是在一些工业设备中,常见的输入和输出接口可能被设计成隔离接口,你可能会看到Galvanic isolation光耦隔离技术是实现这种需求术语的手段之一。
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