哪種類(lèi)型的光隔離器適合您的信號？

光隔離器是一種電子設備，可用于在二極管之間傳遞信息而不通過(guò)電流。由于無(wú)需在光隔離器電路中的輸入和輸出之間直接傳遞電壓或電流，因此這些元件可用于在PCB的兩個(gè)區域中提供電氣隔離。光隔離器充當保護機制，確保有害電流不會(huì )流過(guò)設備。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光隔離器的工作原理是獲取輸入電信號并使用發(fā)光二極管將其轉換為光信號，通常在近紅外光譜中工作。然后，在同一器件中，光電二極管、光電晶體管或光電達林頓晶體管等光敏器件將光信號轉換回電信號。這為輸入端出現的任何電壓瞬變或過(guò)電壓電平提供了屏障，使其不會(huì )影響光隔離器輸出端的電路。組件密封在不透明的封裝中，以防止外部光線(xiàn)的干擾。

有許多不同類(lèi)型的光隔離器電路廣泛用于通信、控制和監控系統，在這些系統中，數據信號可能為有害電壓提供進(jìn)入點(diǎn)以損壞設備。當易受感應電壓瞬變或接地層浪涌影響的長(cháng)數據電纜進(jìn)入包含敏感半導體元件的電子設備時(shí)，它們特別有用。

值得一提的是，光耦合器和光隔離器這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)通?？梢曰Q使用;然而，通常的慣例是光耦合器是可以隔離高達約5000V電壓的器件，而光隔離器是可以隔離超過(guò)5000V電壓的器件。如果您看到此約定的例外情況，請不要感到驚訝。光隔離器的速度也不同，固態(tài)繼電器等快速光隔離器在數據傳輸方面將優(yōu)于二極管光隔離器等產(chǎn)品。如有疑問(wèn)，請查看數據手冊。下圖顯示了光隔離器或光耦合器的典型電路圖，輸入在左側，輸出在右側。

目前，我們想專(zhuān)注于不同類(lèi)型的光隔離器。選擇光隔離器時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵參數是隔離電壓、帶寬、線(xiàn)性度、電流傳輸比和功率要求。

隔離電壓是LED和光傳感器之間可能存在的最大額定電壓差。該隔離電壓由光隔離器器件本身的結構和器件外部因素決定。當器件光源元件處的電壓電弧穿過(guò)光傳感器元件時(shí)，將發(fā)生內部擊穿。同樣，當器件輸入引腳上的電壓電弧穿過(guò)輸出引腳時(shí)，也會(huì )發(fā)生外部擊穿。這受到PCB設計的影響，PCB設計是輸入和輸出的走線(xiàn)的布線(xiàn)和分離方式以及器件周?chē)沫h(huán)境條件。發(fā)生電弧的電壓將取決于溫度、濕度、分離距離、壓力和空氣污染物的存在。距離和濕度是最重要的因素。典型的現成光隔離器可以承受高達10 kV的輸入至輸出電壓差和約25 kV/μs的電壓瞬變。

電流傳輸比（CTR）是LED和傳感器電流之間的比值，有效地獲得器件并反映其效率。具有低CTR的光隔離器需要更多的電流來(lái)驅動(dòng)LED，從而在光電晶體管上為特定輸出負載產(chǎn)生足夠的電流。

CTR不是恒定的，而是取決于進(jìn)入元件的輸入電流。CTR 也會(huì )因每個(gè)組件、其溫度和組件的使用年限而異，因此選擇一款能夠在光隔離器將使用的設備的最大額定溫度和最長(cháng)工作壽命下提供所需 CTR 的器件至關(guān)重要。組件的制造公差可能導致同一批次組件內的CTR范圍很廣，因此設計必須基于數據手冊中規定的最小CTR。所有這些因素都會(huì )使最佳設備的選擇變得棘手。如有疑問(wèn)，請添加健康的誤差范圍，并使用最壞情況的元件值仿真電路，以確保電路正常工作。

要記住的最后一個(gè)因素是光隔離器電路本身的功率要求以及組件因損耗而產(chǎn)生的熱量的管理?；窘M件可能效率相對較低，并且會(huì )產(chǎn)生必須適當處理的大量熱能水平，特別是當光隔離器本身的性能將受到加熱效應的不利影響時(shí)。在設計電路布局時(shí)，請記住將光隔離器電路的輸入走線(xiàn)與所有其他走線(xiàn)（尤其是接地層和電源層）適當分開(kāi)，以防止走線(xiàn)之間的瞬變進(jìn)行容性或電感耦合。

光隔離器通常使用近紅外LED將電輸入信號轉換為等效光信號。光包含在封閉的光隔離通道（也稱(chēng)為介電通道）中。光隔離通道末端的光敏器件可以直接從接收到的光產(chǎn)生電信號，或者使用接收到的光來(lái)調制從外部電源流出的電流。光敏器件可以是光敏電阻、光電二極管、光電晶體管、可控硅整流器 （SCR） 或三端雙向可控硅。由于光敏電阻既可以用作光源，也可以用作光敏器件，因此可以使用兩個(gè)光敏電阻形成雙向光隔離器，光隔離通道的兩端各一個(gè)。性能和效率問(wèn)題限制了雙向光隔離器的可用性和應用。等效電路可以使用兩個(gè)反向配置的單向光隔離器來(lái)實(shí)現，但代價(jià)是需要更多分立元件和更大的尺寸。

四種類(lèi)型的光隔離器組件（從左到右）：施密特緩沖器、三端雙向可控硅、光電晶體管和SCR。這些設備也可以在多個(gè)通道中進(jìn)行配置。

光隔離器的物理布局主要取決于所需的隔離電壓。額定電壓低于幾 kV 的設備通常具有平面結構。傳感器芯片覆蓋有一塊玻璃或透明塑料，上面是LED芯片。傳感器的吸收光譜將與LED的輸出光譜相匹配。光隔離通道的厚度決定了器件的額定擊穿電壓。額定擊穿電壓較高的器件通常采用硅膠圓頂結構。LED和傳感器芯片放置在封裝的另一側，由透明硅膠圓頂形成的間隙隔開(kāi)。圓頂的形狀可以盡可能多地將光從LED引導到傳感器。

光敏電阻是用于直流和交流電路的非極性器件。它們通過(guò)改變其電阻與接收到的光能強度成反比來(lái)工作

光電二極管當光能落在光電二極管上時(shí)，會(huì )產(chǎn)生與接收到的光能強度成比例的電荷。這種小電荷可用于驅動(dòng)高阻抗負載，并且光電二極管在光伏模式下工作。

光電晶體管本質(zhì)上比光電二極管慢，必須正確偏置和加載才能達到數十kHz的速度。然而，它們的集電極開(kāi)路輸出意味著(zhù)它們具有能夠產(chǎn)生更大輸出電流并且更靈敏的優(yōu)點(diǎn)。

光硅可控硅整流器（SCR）光隔離器是一種基于晶閘管的隔離器，專(zhuān)為交流功率控制應用而設計。它們也稱(chēng)為光電 SCR，可完全隔離交流電源線(xiàn)上存在的噪聲和電壓瞬變。

光三端雙向可控硅（交流電三極管）光隔離器與光電SCR一樣，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可用于固態(tài)繼電器應用，以控制交流電供電的負載。

光電MOSFET（金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管）繼電器是一種不太常見(jiàn)的光隔離器類(lèi)型，設計用于在環(huán)境挑戰條件下需要高可靠性和長(cháng)壽命的快速開(kāi)關(guān)應用。

在選擇光隔離器類(lèi)型時(shí)，不要只選擇適合您預算且您最喜歡的供應商有庫存的任何設備。光隔離器有多種不同類(lèi)型的光隔離器，針對特定應用進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)考慮關(guān)鍵因素開(kāi)始選擇過(guò)程