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原创物联网中电路设计常见的隔离器件_光耦

 2024-9-26 12:04  181 0 分类: 物联网

物联网系统中为什么要使用光耦

物联网系统中使用光耦的原因主要基于光耦的多种优越特性和在复杂环境中的应用优势。以下是详细的分析：

光耦的优越特性

1、电气隔离：

光耦能够实现输入端与输出端之间的电气隔离，有效阻断电路或系统之间的电联系，防止漏电、短路、打火等问题。这种隔离特性在物联网系统中尤为重要，因为物联网设备往往需要在各种复杂、多变的环境中运行，电气隔离能够保护设备免受外界电气干扰的影响。

2、抗干扰能力强：

光耦的输入阻抗小，而干扰源的阻抗大，根据分压原理，即使干扰电压的幅度较大，馈送到光耦输入端的杂讯电压也会很小，从而被有效抑制。此外，光耦的输入回路与输出回路之间没有电气联系，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生，提高了信号的信噪比。

3、高响应速度：

光耦的回应速度极快，回应延迟时间只有微秒级，这使得它非常适合于对响应速度要求高的物联网系统。在需要快速响应的应用场景中，光耦能够确保信号的及时传输和处理。

4、长寿命、无触点：

光耦没有机械触点，因此具有较长的使用寿命和较高的可靠性。在物联网系统中，设备的长期稳定运行是至关重要的，光耦的这一特性有助于降低设备的维护成本和故障率。

5、低功耗、小体积：

光耦具有低功耗和小体积的特点，这符合物联网设备对高集成度、小型化和低功耗的需求。在物联网系统中，设备往往需要长时间运行，低功耗特性有助于延长设备的续航时间；同时，小体积也有助于设备的小型化和便携化。

在物联网系统中的应用优势

1、提高系统稳定性：

通过电气隔离和抗干扰能力，光耦能够保护物联网系统中的敏感设备免受外界电气干扰和噪声的影响，从而提高系统的稳定性和可靠性。

2、简化电路设计：

光耦的应用可以简化物联网系统中的电路设计，降低设计难度和成本。例如，在需要隔离输入输出通道的场景中，使用光耦可以省去复杂的隔离电路和元件。

3、扩展应用领域：

光耦的广泛应用领域包括开关电源、电机控制、传感器、通信等，这些领域也是物联网系统的重要组成部分。通过在这些领域中使用光耦，可以进一步扩展物联网系统的应用范围和功能性。

具体硬件场景

用作固体继电器：

1，具有体积小、耦合紧密、驱动功率小、动作速度快、工作温度范围宽等优点。

2，在电话安全设备中的应用：能够防止通过电话进行线路被并机窃用或电话机被盗用通话。

3，代替音频变压器：在线性电路中，音频变压器通常用于两级放大器之间的耦合。

4，在逻辑电路上的应用：光耦可用于形成各种逻辑电路。由于光耦的抗干扰性能和隔离性能优于晶体管，所以由光耦构成的逻辑电路更为可靠。

5，作为固体开关应用：控制电路与开关之间具有良好的电气隔离。

6，在触发电路中的应用：将光电耦合器用于双稳态输出控制电路，可有效地提高解决实际输出与负载隔离地面的问题。

7，脉冲信号放大系统电路中的应用：以放大数字脉冲信号。

8，,在线性电路中的应用：线性电路采用线性光耦，线性度高，隔离性能好。,

9，特殊场合的应用：光耦合器也可以用于高压控制，代替变压器，代替接触式继电器，以及A/D电路。

其他行业应用

通信领域：在通信设备中，光耦可以用于信号隔离、光电转换等功能。例如，在数字隔离器中，光耦可以隔离数字信号和传输媒介之间的电气连接，防止信号噪声的传播。在光通信系统中，光耦可以将光信号转换为电信号，从而实现信号的放大和再生。
计算机领域：光耦通常用于隔离计算机和外部设备之间的电气连接。例如，将光耦应用于计算机串行端口上，可以隔离计算机和串行设备之间的电气连接，从而实现信号的隔离和保护。
医疗领域：光耦通常被用于隔离医疗设备和患者之间的电气连接。例如，在心脏起搏器中，光耦可以将信号隔离，从而防止电气噪声干扰。
工业控制：在电力控制回路中，光耦可以将控制信号和高压回路之间进行隔离，从而防止高压回路的电气噪声对控制信号的干扰。在电机控制回路中，光耦可以将控制信号和电机驱动回路之间进行隔离，从而实现电机的精确控制。

综上所述，物联网系统中使用光耦的原因主要在于其优越的电气隔离、抗干扰能力强、高响应速度、长寿命、无触点、低功耗和小体积等特性，以及这些特性在物联网系统中的应用优势。这些优势使得光耦成为物联网系统中不可或缺的重要元件之一。

光耦简介

光耦合器是在两个隔离电路之间传输电信号的电子元件，也就是说将电信号从一个电路传输到另一个电路。（具体的如下图所示。）光耦合器也称为光隔离器、光耦合器或光隔离器。

光耦的分类

光耦器件常用的八大分类方式如下：

1，按光路径：可分为外光路光电耦合器（又称光电断续检测器）和内光路光电耦合器。

2，按通道数量分：可分为单通道，双通道和多通道光电耦合器。

3，按输出形式分

（1）光敏器件输出型，其中包括光敏二极管输出型，光敏三极管输出型，光电池输出型，光可控硅输出型等。

（2）NPN三极管输出型，其中包括交流、直流输入型，互补输出型等。

（3）达林顿三极管输出型，其中包括交流、直流输入型。

（4）逻辑门电路输出型，其中包括门电路、施密特触发、三态门电路输出型等。

（5）低导通输出型（输出低电平毫伏数量级）。

（6）光开关输出型（导通电阻小于10Ω）。

（7）功率输出型（IGBT/MOSFET等输出）。

4，按速度分：低速光耦（光敏三极管、光电池等输出型），速度通常低于100Kbps，高速光电耦合器（光敏二极管带信号处理电路或者光敏集成电路输出型），速率几百Kbps以上，甚至可达数百Mbps。

5，按传输信号分：可分为数字型光电耦合器（OC门输出型，图腾柱输出型及三态门电路输出型等）和线性光电耦合器（可分为低漂移型，高线性型，宽带型，单电源型，双电源型等）。

6，按隔离特性分：可分为普通隔离光电耦合器（一般光学胶灌封低于5000V，空封低于2000V）和高压隔离光电耦合器（可分为10kV，20kV，30kV等）。

7，按工作电压分：可分为低电源电压型光电耦合器（一般5～15V）和高电源电压型光电耦合器（一般大于30V）。

8，按封装形式分：可分为同轴型，双列直插型，TO封装型，扁平封装型，贴片封装型，以及光纤传输型等。

光耦的基本工作特性

1、共模抑制比很高：在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。

2、输出特性：光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。当IF>0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。

3、隔离特性

（1）隔离电压Vio（Isolation Voltage）光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值，最高隔离电压通常可至上千伏。

（2）隔离电容Cio（Isolation Capacitance）：光耦合器件输入端和输出端之间的电容值，通常2pF以内。

（3）隔离电阻Rio：（Isolation Resistance）半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值，通常大于10^11欧姆。

4、传输特性：

（1）电流传输比CTR（Current Transfer Radio）：输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。

（2）上升时间Tr （Rise Time）& 下降时间Tf（Fall Time）：光电耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%，所需时间为脉冲上升时间tr。从输出脉冲后沿幅度的90%到10%，所需时间为脉冲下降时间tf。

5、光电耦合器可作为线性耦合器使用。

在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。

光耦的选型

在光耦选型时一般需要考虑如下几个参数：

（1）线性还是非线性：应用场景为开关信号的可以选择非线性光耦，需要传输模拟量则要选择线性光耦。

（2）速度：根据应用场景要求，选择低速光耦（光敏三极管，响应速度微秒级）或者高速光耦（光敏二极管，响应速度纳秒级）。

（3）隔离电压：光耦是起隔离作用的元器件，隔离性能就需要通过隔离电压这个参数来体现，隔离电压的意思是光耦的输入和输出之间短时间所能承受不被击穿电压的最大值。

（4）电流传输比CTR：这个参数指的是输出电流和输入电流之间的百分比值，CTR值越大，表明光耦越省电，相对的也更容易受到干扰，反之亦然。

（5）工作温度：所有光耦都有一个温度范围，在选型时可以根据自己的应用场景（商规/工规/车规）和需求来选择工作温度参数。

（6）封装：根据电路、PCB结构空间来确定是选择单通道还是多通道产品，一般光耦常用的封装有DIP-4、DIP-8、SOP-4、SOP-8等等。

供应商A:光宝

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1：LTV-217-B-G