史上最完整的關于電耦的完整介紹
在mcu系統(tǒng)中，很多地方都有使用到光耦！
但是光耦是做什么的？都有哪些具體的參數(shù)呢？
但是光耦是做什么的？都有哪些具體的參數(shù)呢？
什么是光耦？
光耦全稱是光耦合器，英文名字是：optical coupler，英文縮寫為OC，亦稱光電隔離器，簡稱光耦。
光耦的結構是什么樣的？
光耦隔離就是采用光耦合器進行隔離，光耦合器的結構相當于把發(fā)光二極管和光敏(三極)管封裝在一起。
為什么要使用光耦？
發(fā)光二極管把輸入的電信號轉換為光信號傳給光敏管轉換為電信號輸出，由于沒有直接的電氣連接，這樣既耦合傳輸了信號，又有隔離干擾的作用。
光耦愛壞嗎？
只要光耦合器質量好，電路參數(shù)設計合理，一般故障少見。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)異常，使輸入、輸出兩側的電位差超過光耦合器所能承受的電壓，就會使之被擊穿損壞。
光耦的參數(shù)都有哪些？是什么含義？
1、CTR：電流傳輸比
2、Isolation Voltage：隔離電壓
3、Collector-Emitter Voltage：集電極－發(fā)射極電壓
CTR：發(fā)光管的電流和光敏三極管的電流比的最小值
隔離電壓：發(fā)光管和光敏三極管的隔離電壓的最小值
集電極－發(fā)射極電壓：集電極－發(fā)射極之間的耐壓值的最小值
2、Isolation Voltage：隔離電壓
3、Collector-Emitter Voltage：集電極－發(fā)射極電壓
CTR：發(fā)光管的電流和光敏三極管的電流比的最小值
隔離電壓：發(fā)光管和光敏三極管的隔離電壓的最小值
集電極－發(fā)射極電壓：集電極－發(fā)射極之間的耐壓值的最小值
光耦什么時候導通？什么時候截至？
關于TLP521-1的光耦的導通的試驗報告
要求：
3.5v～24v 認為是高電平，0v～1.5v認為是低電平
思路：
1、0v～1.5v認為是低電平，利用串接一個二極管1N4001的壓降0.7V+光耦的LED的壓降，吃掉1.4V左右；
2、24V是最高電壓，不能在最高電壓的時候，光耦通過的電流太大；所以選用2K的電阻；光耦工作在大概10mA的電流，可以保證穩(wěn)定可靠工作n年以上；
3、3.5V以上是高電平，為了盡快進入光敏三極管的飽和區(qū)，要把光耦的光敏三極管的上拉電阻加大；因此選用10K；同時要考慮到ctr最小為50％；
電路：
1、發(fā)光管端：
實驗室電源（0～24V）->2K->1N4001->TLP521-1(1)->TLP521-1(2)-gnd1
2、光敏三極管：
實驗室電源（DC5V）->10K->TLP521-1(4)->TLP521-1(3)-gnd2
3、萬用表
直流電壓擋20V
萬用表+-> TLP521-1(4)
萬用表--> TLP521-1(3)
試驗結果
輸入電源 萬用表電壓(V)
1.3V 5
1.5V 4.8
1.7V 4.41
1.9V 3.58
2.1V 2.94
2.3V 1.8
2.5V 0.58
2.7V 0.2
2.9V 0.19
3.1V 0.17
3.3V 0.16
3.5V 0.16
5V 0.13
24V 0.06
要求：
3.5v～24v 認為是高電平，0v～1.5v認為是低電平
思路：
1、0v～1.5v認為是低電平，利用串接一個二極管1N4001的壓降0.7V+光耦的LED的壓降，吃掉1.4V左右；
2、24V是最高電壓，不能在最高電壓的時候，光耦通過的電流太大；所以選用2K的電阻；光耦工作在大概10mA的電流，可以保證穩(wěn)定可靠工作n年以上；
3、3.5V以上是高電平，為了盡快進入光敏三極管的飽和區(qū)，要把光耦的光敏三極管的上拉電阻加大；因此選用10K；同時要考慮到ctr最小為50％；
電路：
1、發(fā)光管端：
實驗室電源（0～24V）->2K->1N4001->TLP521-1(1)->TLP521-1(2)-gnd1
2、光敏三極管：
實驗室電源（DC5V）->10K->TLP521-1(4)->TLP521-1(3)-gnd2
3、萬用表
直流電壓擋20V
萬用表+-> TLP521-1(4)
萬用表--> TLP521-1(3)
試驗結果
輸入電源 萬用表電壓(V)
1.3V 5
1.5V 4.8
1.7V 4.41
1.9V 3.58
2.1V 2.94
2.3V 1.8
2.5V 0.58
2.7V 0.2
2.9V 0.19
3.1V 0.17
3.3V 0.16
3.5V 0.16
5V 0.13
24V 0.06
思考題：光耦的CTR（電流傳輸比）是什么含義？
思考題：
1、光耦的CTR（電流傳輸比）是什么含義？
2、CTR與上拉電阻和光耦的光敏三極管之間與飽和導通或者截至之間的關系；
參考資料：TLP521-1的CTR為50％（最小值）；
1、光耦的CTR（電流傳輸比）是什么含義？
2、CTR與上拉電阻和光耦的光敏三極管之間與飽和導通或者截至之間的關系；
參考資料：TLP521-1的CTR為50％（最小值）；
TLP521-1的長相
光藕的電流傳輸比
電流傳輸比是光藕的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來表示。其條件是：當輸出電壓保持恒定時，等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比，說明要獲得同樣的輸出電流IC，電流傳輸比越大，需要的輸入電流IF越小。這表明光藕器件的最主要特征是電流型器件。
光耦的分類：
1、低速光耦
2、高速光耦
3、線性光耦
2、高速光耦
3、線性光耦
線性光耦原理與電路設計
大部分的光耦都是低速光耦
6N137的測試電路
最小 (CTR在100℃)=100%x0.80x0.80=64%
R_{1}=\frac{(V_{CC}-V_{F})}{I_{F}} →(1)
I_{F}=\frac{I_{CE}}{CTR} →(2)
首先確定所需的I_{CE}，然后可以確定I_{F}。從以上計算可知CTR為64％。假設所需I_{CE}為1mA。
從公式 2可得：I_{F}=\frac{1mA}{0.64}=1.56mA
從表2可知在100℃當V_{F}= 1.1 V時，V_{CC}= 5V；
功耗=(V_{F} I_{F})+(V_{CE} I_{CE})
(導通狀態(tài)) =(1.1V 1.56mA)+(0.4V 1mA)=2.117mA
根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)，當溫度從0℃上升到100℃時，MFP封裝的CTR從+9％下降到 -50％。最小CTR (I_{F}=5mA)為100％。假設LED電流為(I_{F}=1mA)，CTR增益為100%，那么I_{CE}等于1mA。當工作10年后，CTR一般會下降20％?，F(xiàn)在，我們可以算出上述條件下最小的CTR：
最小 (CTR在100℃) =100%x0.50x0.80=40%
首先確定所需的I_{CE}，然后可以確定I_{F}。從以上計算可知CTR為40％。假設所需I_{CE}為1mA。
從公式 2可得：I_{F}=\frac{1mA}{0.4}=2.5mA
從表4可知在100℃當V_{F}= 1.15 V時，V_{CC}= 5V；
功耗=(V_{F} I_{F})+(V_{CE} I_{CE})
(導通狀態(tài)) =(1.15V 2.5mA)+(0.4V 1mA)=3.28mA
熱阻
表5列出了兩種不同封裝在同樣電氣特性下的熱性能。封裝密度和封裝材料對于封裝從結點到周圍的散熱能力有很大影響。由于Microcoupler 的封裝密度較小，因此具有比MFP封裝更多的從裸片結點散熱的路徑。
計算光耦合器裸片溫度相對于周圍溫度的上升：
T_{J}=P_{DEVICE\phantom{8}POWER} _{JA}+T_{A}
Microcoupler
Tj (發(fā)射器) = 100.44℃
Tj (檢測器) = 100.05℃
MFP
Tj (發(fā)射器) = 103.96℃
Tj (檢測器) = 100.06℃
結論
在100℃的溫度環(huán)境維持相同增益的前提下，Microcoupler的功耗比標準MFP封裝低約35％。Microcoupler封裝的高效率LED和較佳的熱性能是在高溫應用下獲得低功耗的主因。這些優(yōu)點為設計人員的高溫應用提供了理想的低功耗解決方案。
最著名的當然是TLP521-1;
PC817、814等也是經常使用的光耦；
PC817、814等也是經常使用的光耦；
高速光耦最著名也最便宜的是6N137
在通訊電路設計中，光耦是經常見到的；
在通訊電路設計中，光耦是經常見到的；
TLP521-1可以用到9600～19200；
限流電阻是1K；上拉電阻是1K；
6N137可以到10M；但是6N137需要按照datasheet來接它的外部電路才能達到10M的速度；
限流電阻是1K；上拉電阻是1K；
6N137可以到10M；但是6N137需要按照datasheet來接它的外部電路才能達到10M的速度；
6N137的內部和典型電路
6N137的內部結構
6N137的測試電路
6N137的使用注意點：
1、高速光耦的驅動LED的電流要求比較大，LED的壓降也比較大，在5V情況下，限流電阻我選擇的是680歐姆；
2、上拉電阻需要調整到1K或者更小才能達到10M的速度；（印象記憶中）
2、上拉電阻需要調整到1K或者更小才能達到10M的速度；（印象記憶中）
還有一種特殊的光耦，內部有2個發(fā)光管
常見之高速光藕型號
常見之高速光藕型號[zt]
經查大量資料后，總結出目前市場上常見之高速光藕型號供大家選擇：
100K bit/S:
6N138、6N139、PS8703
1M bit/S:
6N135、6N136、CNW135、CNW136、PS8601、PS8602、PS8701、PS9613、PS9713、CNW4502、HCPL-2503、HCPL-4502、HCPL-2530（雙路）、HCPL-2531（雙路）
10M bit/S:
6N137、PS9614、PS9714、PS9611、PS9715、HCPL-2601、HCPL-2611、HCPL-2630（雙路）、HCPL－2631（雙路）
另外，臺灣COSMO公司的KP7010在RL選值為300歐左右時，我根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊所載數(shù)值計算，速率可達100Kbit/S，且為6腳封裝，比同級的6N138、6N139小巧，價格也較低。
經查大量資料后，總結出目前市場上常見之高速光藕型號供大家選擇：
100K bit/S:
6N138、6N139、PS8703
1M bit/S:
6N135、6N136、CNW135、CNW136、PS8601、PS8602、PS8701、PS9613、PS9713、CNW4502、HCPL-2503、HCPL-4502、HCPL-2530（雙路）、HCPL-2531（雙路）
10M bit/S:
6N137、PS9614、PS9714、PS9611、PS9715、HCPL-2601、HCPL-2611、HCPL-2630（雙路）、HCPL－2631（雙路）
另外，臺灣COSMO公司的KP7010在RL選值為300歐左右時，我根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊所載數(shù)值計算，速率可達100Kbit/S，且為6腳封裝，比同級的6N138、6N139小巧，價格也較低。
CTR的定義
光耦合器的增益被稱為晶體管輸出器件的電流傳輸比 (CTR)，其定義是光電晶體管集電極電流與LED正向電流的比率(ICE/IF)。光電晶體管集電極電流與VCE有關，即集電極和發(fā)射極之間的電壓
MICROCOUPLER為高溫應用提升功耗性能
|
MICROCOUPLER為高溫應用提升功耗性能 |
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飛兆半導體 Muralitharan Samy、Krishnan Ramdass、Robert Krause |
| 光耦合器是具有絕緣安全性及在輸入和輸出之間實現(xiàn)電氣信號隔離功能的器件，其絕緣和噪聲抑制特性來自于采用的機械結構和材料。 光耦合器由一個光源和一個由透明光導管圍繞的感光檢測器組成，并藏于環(huán)氧塑料封裝內。光源是紅外LED，用來將電流轉換為光。感光檢測器是一個硅光電二極管，作用是將光轉換回電流，然后通過集成的晶體管被放大。光耦合器的增益被稱為晶體管輸出器件的電流傳輸比 (CTR)，其定義是光電晶體管集電極電流與LED正向電流的比率(ICE/IF)。光電晶體管集電極電流與VCE有關，即集電極和發(fā)射極之間的電壓。 額定工作溫度高達100℃的設計的出現(xiàn)，使業(yè)界對熱穩(wěn)定性和低驅動電流的需求飚升。封裝技術的進步也在推動光耦合器封裝的發(fā)展。從DIP (雙列直插式) 轉至SOP (小型封裝) 及MFP (微型扁平封裝) 減小了占位面積，提升了光耦合器的熱性能。體積的減小也有助于在工作溫度范圍內增加熱存儲和穩(wěn)定性。 飛兆半導體的Microcoupler (FODB100)是無鉛表貼光耦合器，提供高達125℃的封裝工作溫度。隨著工作溫度的提升，電氣性能和穩(wěn)定性成為重要的課題。面對這些挑戰(zhàn)，新的LED材料被選用以便在規(guī)定的工作溫度范圍內提高CTR穩(wěn)定性。AlGaAs (鋁砷化稼) 紅外發(fā)光二極管在一定溫度范圍內較GaAs (砷化稼) 紅外發(fā)光二極管具有更好的穩(wěn)定性。AlGaAs LED可于低電流 (最低達500 A) 下工作。更小型的封裝和更佳的Ired材料使Microcoupler比傳統(tǒng)的光耦合器封裝在較高的工作溫度范圍內具有更加穩(wěn)定的電氣性能。 |
圖1功耗的計算圖1所示為MFP封裝與Microcoupler在工作溫度范圍內CTR性能的比較。Microcoupler在100℃時的標準化CTR下降率約為20％，而MFP封裝則為50％。較小的熱體積和較高效率的AlGaAs Ired材料是Microcoupler獲得較佳CTR穩(wěn)定性的原因。由于該產品在一定溫度范圍內展現(xiàn)較高的穩(wěn)定性，因此更易于在高溫范圍內進行設計。
根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)，當溫度從0℃上升到100℃時，F(xiàn)ODB100的CTR從+8％下降到 20％。最小CTR（I_{F}=1mA)為100％。當工作10年后，CTR一般會下降20％。現(xiàn)在，我們可以算出上述條件下最小的CTR：
根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)，當溫度從0℃上升到100℃時，F(xiàn)ODB100的CTR從+8％下降到 20％。最小CTR（I_{F}=1mA)為100％。當工作10年后，CTR一般會下降20％。現(xiàn)在，我們可以算出上述條件下最小的CTR：
最小 (CTR在100℃)=100%x0.80x0.80=64%
R_{1}=\frac{(V_{CC}-V_{F})}{I_{F}} →(1)
I_{F}=\frac{I_{CE}}{CTR} →(2)
首先確定所需的I_{CE}，然后可以確定I_{F}。從以上計算可知CTR為64％。假設所需I_{CE}為1mA。
從公式 2可得：I_{F}=\frac{1mA}{0.64}=1.56mA
從表2可知在100℃當V_{F}= 1.1 V時，V_{CC}= 5V；
功耗=(V_{F} I_{F})+(V_{CE} I_{CE})
(導通狀態(tài)) =(1.1V 1.56mA)+(0.4V 1mA)=2.117mA
根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)，當溫度從0℃上升到100℃時，MFP封裝的CTR從+9％下降到 -50％。最小CTR (I_{F}=5mA)為100％。假設LED電流為(I_{F}=1mA)，CTR增益為100%，那么I_{CE}等于1mA。當工作10年后，CTR一般會下降20％?，F(xiàn)在，我們可以算出上述條件下最小的CTR：
最小 (CTR在100℃) =100%x0.50x0.80=40%
首先確定所需的I_{CE}，然后可以確定I_{F}。從以上計算可知CTR為40％。假設所需I_{CE}為1mA。
從公式 2可得：I_{F}=\frac{1mA}{0.4}=2.5mA
從表4可知在100℃當V_{F}= 1.15 V時，V_{CC}= 5V；
功耗=(V_{F} I_{F})+(V_{CE} I_{CE})
(導通狀態(tài)) =(1.15V 2.5mA)+(0.4V 1mA)=3.28mA
熱阻
表5列出了兩種不同封裝在同樣電氣特性下的熱性能。封裝密度和封裝材料對于封裝從結點到周圍的散熱能力有很大影響。由于Microcoupler 的封裝密度較小，因此具有比MFP封裝更多的從裸片結點散熱的路徑。
計算光耦合器裸片溫度相對于周圍溫度的上升：
T_{J}=P_{DEVICE\phantom{8}POWER} _{JA}+T_{A}
Microcoupler
Tj (發(fā)射器) = 100.44℃
Tj (檢測器) = 100.05℃
MFP
Tj (發(fā)射器) = 103.96℃
Tj (檢測器) = 100.06℃
結論
在100℃的溫度環(huán)境維持相同增益的前提下，Microcoupler的功耗比標準MFP封裝低約35％。Microcoupler封裝的高效率LED和較佳的熱性能是在高溫應用下獲得低功耗的主因。這些優(yōu)點為設計人員的高溫應用提供了理想的低功耗解決方案。
可控硅型光耦
還有一種光耦是可控硅型光耦。
例如：moc3063、IL420；
它們的主要指標是負載能力；
例如：moc3063的負載能力是100mA；IL420是300mA；
例如：moc3063、IL420；
它們的主要指標是負載能力；
例如：moc3063的負載能力是100mA；IL420是300mA；
上傳IL420的pdf文檔
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FEATURES
? High Input Sensitivity IFT=2 mA
? Blocking Voltage, 600 V
? 300 mA On-State Current
? High Static dv/dt 10,000 V/ms
? Inverse Parallel SCRs Provide Commutatingdv/dt >2K V/ms
? Very Low Leakage <10mA
? Isolation Test Voltage from Double
Molded
Package 5300 VAC
RMS
? Small 6-Pin DIP Package
? Underwriters Lab File #E52744
? VDE 0884 Available with Option 1
Maximum Ratings
Emitter
Reverse Voltage ................................................ 6 V
Forward Current ........................................... 60 mA
Surge Current..................................................2.5 A
Power Dissipation.......................................100 mW
Derate from 25°C ................................1.33 mW/°C
Thermal Resistance..................................750°C/W
Detector
Peak Off-State Voltage ...................................600 V
Peak Reverse Voltage ....................................600 V
RMS On-State Current.................................300 mA
Single Cycle Surge............................................ 3 A
Total Power Dissipation ..............................500 mW
Derate from 25°C ..................................6.6 mW/°C
Thermal Resistance...................................150°C/W
Package
Storage Temperature................... –55°C to +150°C
Operating Temperature ............... –55°C to +100°C
Lead Soldering Temperature.............. 260°C/5 sec.
Isolation Test Voltage.........................5300 VACRMS
DESCRIPTION
The IL420 consists of a GaAs IRLED optically coupled to a photosensitive
non-zero crossing TRIAC network. The TRIAC consists of two
inverse parallel connected monolithic SCRs. These three semiconductors
are assembled in a six pin 0.3 inch dual in-line package, using high
insulation double molded, over/under leadframe construction.
High input sensitivity is achieved by using an emitter follower phototransistor
and a cascaded SCR predriver resulting in an LED trigger
current of less than 2 mA (DC).
The IL420 uses two discrete SCRs resulting in a commutating dV/dt of
greater than 10KV/ms. The use of a proprietary
dv/dt clamp
results in a
static dV/dt of greater than 10KV/ms. This clamp circuit has a MOSFET
that is enhanced when high dV/dt spikes occur between MT1 and MT2
of the TRIAC. When conducting, the FET clamps the base of the phototransistor,
disabling the first stage SCR predriver.
The 600 V blocking voltage permits control of off-line voltages up to 240
VAC, with a safety factor of more than two, and is sufficient for as much
as 380 VAC.
The IL420 isolates low-voltage logic from 120, 240, and 380 VAC lines to
control resistive, inductive, or capacitive loads including motors, solenoids,
high current thyristors or TRIAC and relays.
Applications include solid-state relays, industrial controls, office equipment,
and consumer appliances.
FEATURES
? High Input Sensitivity IFT=2 mA
? Blocking Voltage, 600 V
? 300 mA On-State Current
? High Static dv/dt 10,000 V/ms
? Inverse Parallel SCRs Provide Commutatingdv/dt >2K V/ms
? Very Low Leakage <10mA
? Isolation Test Voltage from Double
Molded
Package 5300 VAC
RMS
? Small 6-Pin DIP Package
? Underwriters Lab File #E52744
? VDE 0884 Available with Option 1
Maximum Ratings
Emitter
Reverse Voltage ................................................ 6 V
Forward Current ........................................... 60 mA
Surge Current..................................................2.5 A
Power Dissipation.......................................100 mW
Derate from 25°C ................................1.33 mW/°C
Thermal Resistance..................................750°C/W
Detector
Peak Off-State Voltage ...................................600 V
Peak Reverse Voltage ....................................600 V
RMS On-State Current.................................300 mA
Single Cycle Surge............................................ 3 A
Total Power Dissipation ..............................500 mW
Derate from 25°C ..................................6.6 mW/°C
Thermal Resistance...................................150°C/W
Package
Storage Temperature................... –55°C to +150°C
Operating Temperature ............... –55°C to +100°C
Lead Soldering Temperature.............. 260°C/5 sec.
Isolation Test Voltage.........................5300 VACRMS
DESCRIPTION
The IL420 consists of a GaAs IRLED optically coupled to a photosensitive
non-zero crossing TRIAC network. The TRIAC consists of two
inverse parallel connected monolithic SCRs. These three semiconductors
are assembled in a six pin 0.3 inch dual in-line package, using high
insulation double molded, over/under leadframe construction.
High input sensitivity is achieved by using an emitter follower phototransistor
and a cascaded SCR predriver resulting in an LED trigger
current of less than 2 mA (DC).
The IL420 uses two discrete SCRs resulting in a commutating dV/dt of
greater than 10KV/ms. The use of a proprietary
dv/dt clamp
results in a
static dV/dt of greater than 10KV/ms. This clamp circuit has a MOSFET
that is enhanced when high dV/dt spikes occur between MT1 and MT2
of the TRIAC. When conducting, the FET clamps the base of the phototransistor,
disabling the first stage SCR predriver.
The 600 V blocking voltage permits control of off-line voltages up to 240
VAC, with a safety factor of more than two, and is sufficient for as much
as 380 VAC.
The IL420 isolates low-voltage logic from 120, 240, and 380 VAC lines to
control resistive, inductive, or capacitive loads including motors, solenoids,
high current thyristors or TRIAC and relays.
Applications include solid-state relays, industrial controls, office equipment,
and consumer appliances.
可控硅型光耦
還有一種光耦是可控硅型光耦。
例如：moc3063、IL420；
它們的主要指標是負載能力；
例如：moc3063的負載能力是100mA；IL420是300mA；
例如：moc3063、IL420；
它們的主要指標是負載能力；
例如：moc3063的負載能力是100mA；IL420是300mA；
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FEATURES
? High Input Sensitivity IFT=2 mA
? Blocking Voltage, 600 V
? 300 mA On-State Current
? High Static dv/dt 10,000 V/ms
? Inverse Parallel SCRs Provide Commutatingdv/dt >2K V/ms
? Very Low Leakage <10mA
? Isolation Test Voltage from Double
Molded
Package 5300 VAC
RMS
? Small 6-Pin DIP Package
? Underwriters Lab File #E52744
? VDE 0884 Available with Option 1
Maximum Ratings
Emitter
Reverse Voltage ................................................ 6 V
Forward Current ........................................... 60 mA
Surge Current..................................................2.5 A
Power Dissipation.......................................100 mW
Derate from 25°C ................................1.33 mW/°C
Thermal Resistance..................................750°C/W
Detector
Peak Off-State Voltage ...................................600 V
Peak Reverse Voltage ....................................600 V
RMS On-State Current.................................300 mA
Single Cycle Surge............................................ 3 A
Total Power Dissipation ..............................500 mW
Derate from 25°C ..................................6.6 mW/°C
Thermal Resistance...................................150°C/W
Package
Storage Temperature................... –55°C to +150°C
Operating Temperature ............... –55°C to +100°C
Lead Soldering Temperature.............. 260°C/5 sec.
Isolation Test Voltage.........................5300 VACRMS
DESCRIPTION
The IL420 consists of a GaAs IRLED optically coupled to a photosensitive
non-zero crossing TRIAC network. The TRIAC consists of two
inverse parallel connected monolithic SCRs. These three semiconductors
are assembled in a six pin 0.3 inch dual in-line package, using high
insulation double molded, over/under leadframe construction.
High input sensitivity is achieved by using an emitter follower phototransistor
and a cascaded SCR predriver resulting in an LED trigger
current of less than 2 mA (DC).
The IL420 uses two discrete SCRs resulting in a commutating dV/dt of
greater than 10KV/ms. The use of a proprietary
dv/dt clamp
results in a
static dV/dt of greater than 10KV/ms. This clamp circuit has a MOSFET
that is enhanced when high dV/dt spikes occur between MT1 and MT2
of the TRIAC. When conducting, the FET clamps the base of the phototransistor,
disabling the first stage SCR predriver.
The 600 V blocking voltage permits control of off-line voltages up to 240
VAC, with a safety factor of more than two, and is sufficient for as much
as 380 VAC.
The IL420 isolates low-voltage logic from 120, 240, and 380 VAC lines to
control resistive, inductive, or capacitive loads including motors, solenoids,
high current thyristors or TRIAC and relays.
Applications include solid-state relays, industrial controls, office equipment,
and consumer appliances.
FEATURES
? High Input Sensitivity IFT=2 mA
? Blocking Voltage, 600 V
? 300 mA On-State Current
? High Static dv/dt 10,000 V/ms
? Inverse Parallel SCRs Provide Commutatingdv/dt >2K V/ms
? Very Low Leakage <10mA
? Isolation Test Voltage from Double
Molded
Package 5300 VAC
RMS
? Small 6-Pin DIP Package
? Underwriters Lab File #E52744
? VDE 0884 Available with Option 1
Maximum Ratings
Emitter
Reverse Voltage ................................................ 6 V
Forward Current ........................................... 60 mA
Surge Current..................................................2.5 A
Power Dissipation.......................................100 mW
Derate from 25°C ................................1.33 mW/°C
Thermal Resistance..................................750°C/W
Detector
Peak Off-State Voltage ...................................600 V
Peak Reverse Voltage ....................................600 V
RMS On-State Current.................................300 mA
Single Cycle Surge............................................ 3 A
Total Power Dissipation ..............................500 mW
Derate from 25°C ..................................6.6 mW/°C
Thermal Resistance...................................150°C/W
Package
Storage Temperature................... –55°C to +150°C
Operating Temperature ............... –55°C to +100°C
Lead Soldering Temperature.............. 260°C/5 sec.
Isolation Test Voltage.........................5300 VACRMS
DESCRIPTION
The IL420 consists of a GaAs IRLED optically coupled to a photosensitive
non-zero crossing TRIAC network. The TRIAC consists of two
inverse parallel connected monolithic SCRs. These three semiconductors
are assembled in a six pin 0.3 inch dual in-line package, using high
insulation double molded, over/under leadframe construction.
High input sensitivity is achieved by using an emitter follower phototransistor
and a cascaded SCR predriver resulting in an LED trigger
current of less than 2 mA (DC).
The IL420 uses two discrete SCRs resulting in a commutating dV/dt of
greater than 10KV/ms. The use of a proprietary
dv/dt clamp
results in a
static dV/dt of greater than 10KV/ms. This clamp circuit has a MOSFET
that is enhanced when high dV/dt spikes occur between MT1 and MT2
of the TRIAC. When conducting, the FET clamps the base of the phototransistor,
disabling the first stage SCR predriver.
The 600 V blocking voltage permits control of off-line voltages up to 240
VAC, with a safety factor of more than two, and is sufficient for as much
as 380 VAC.
The IL420 isolates low-voltage logic from 120, 240, and 380 VAC lines to
control resistive, inductive, or capacitive loads including motors, solenoids,
high current thyristors or TRIAC and relays.
Applications include solid-state relays, industrial controls, office equipment,
and consumer appliances.
光耦的部分型號
| 產品名稱 | 型號規(guī)格 | 性能說明 |
| 光電耦合 | ||
| 4N25 | 晶體管輸出 | |
| 4N25MC | 晶體管輸出 | |
| 4N26 | 晶體管輸出 | |
| 4N27 | 晶體管輸出 | |
| 4N28 | 晶體管輸出 | |
| 4N29 | 達林頓輸出 | |
| 4N30 | 達林頓輸出 | |
| 4N31 | 達林頓輸出 | |
| 4N32 | 達林頓輸出 | |
| 4N33 | 達林頓輸出 | |
| 4N33MC | 達林頓輸出 | |
| 4N35 | 達林頓輸出 | |
| 4N36 | 晶體管輸出 | |
| 4N37 | 晶體管輸出 | |
| 4N38 | 晶體管輸出 | |
| 4N39 | 可控硅輸出 | |
| 6N135 | 高速光耦晶體管輸出 | |
| 6N136 | 高速光耦晶體管輸出 | |
| 6N137 | 高速光耦晶體管輸出 | |
| 6N138 | 達林頓輸出 | |
| 6N139 | 達林頓輸出 | |
| MOC3020 | 可控硅驅動輸出 | |
| MOC3021 | 可控硅驅動輸出 | |
| MOC3023 | 可控硅驅動輸出 | |
| MOC3030 | 可控硅驅動輸出 | |
| MOC3040 | 過零觸發(fā)可控硅輸出 | |
| MOC3041 | 過零觸發(fā)可控硅輸出 | |
| MOC3061 | 過零觸發(fā)可控硅輸出 | |
| MOC3081 | 過零觸發(fā)可控硅輸出 | |
| TLP521-1 | 單光耦 | |
| TLP521-2 | 雙光耦 | |
| TLP521-4 | 四光耦 | |
| TLP621 | 四光耦 | |
| TIL113 | 達林頓輸出 | |
| TIL117 | TTL邏輯輸出 | |
| PC814 | 單光耦 | |
| PC817 | 單光耦 | |
| H11A2 | 晶體管輸出 | |
| H11D1 | 高壓晶體管輸出 | |
| H11G2 | 電阻達林頓輸出 |
|
線性光耦原理與電路設計 1. 線形光耦介紹
光隔離是一種很常用的信號隔離形式。常用光耦器件及其外圍電路組成。由于光耦電路簡單,在數(shù)字隔離電路或數(shù)據(jù)傳輸電路中常常用到,如UART協(xié)議的20mA電流環(huán)。對于模擬信號,光耦因為輸入輸出的線形較差,并且隨溫度變化較大,限制了其在模擬信號隔離的應用。 對于高頻交流模擬信號,變壓器隔離是最常見的選擇,但對于支流信號卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案,如ADI的AD202,能夠提供從直流到幾K的頻率內提供0.025%的線性度,但這種隔離器件內部先進行電壓-頻率轉換,對產生的交流信號進行變壓器隔離,然后進行頻率-電壓轉換得到隔離效果。集成的隔離放大器內部電路復雜,體積大,成本高,不適合大規(guī)模應用。 模擬信號隔離的一個比較好的選擇是使用線形光耦。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別,只是將普通光耦的單發(fā)單收模式稍加改變,增加一個用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣,雖然兩個光接受電路都是非線性的,但兩個光接受電路的非線性特性都是一樣的,這樣,就可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性,從而達到實現(xiàn)線性隔離的目的。 市場上的線性光耦有幾中可選擇的芯片,如Agilent公司的HCNR200/201,TI子公司TOAS的TIL300,CLARE的LOC111等。這里以HCNR200/201為例介紹 2. 芯片介紹與原理說明 HCNR200/201的內部框圖如下所示 |
其中1、2引作為隔離信號的輸入,3、4引腳用于反饋,5、6引腳用于輸出。1、2引腳之間的電流記作IF,3、4引腳之間和5、6引腳之間的電流分別記作IPD1和IPD2。輸入信號經過電壓-電流轉化,電壓的變化體現(xiàn)在電流IF上,IPD1和IPD2基本與IF成線性關系,線性系數(shù)分別記為K1和K2,即
K1與K2一般很?。℉CNR200是0.50%）,并且隨溫度變化較大（HCNR200的變化范圍在0.25%到0.75%之間）,但芯片的設計使得K1和K2相等。在后面可以看到,在合理的外圍電路設計中,真正影響輸出/輸入比值的是二者的比值K3,線性光耦正利用這種特性才能達到滿意的線性度的。
HCNR200和HCNR201的內部結構完全相同,差別在于一些指標上。相對于HCNR200,HCNR201提供更高的線性度。
采用HCNR200/201進行隔離的一些指標如下所示：
* 線性度：HCNR200：0.25%,HCNR201：0.05%;
* 線性系數(shù)K3：HCNR200：15%,HCNR201：5%;
* 溫度系數(shù)： -65ppm/oC;
* 隔離電壓：1414V;
* 信號帶寬：直流到大于1MHz。
從上面可以看出,和普通光耦一樣,線性光耦真正隔離的是電流,要想真正隔離電壓,需要在輸出和輸出處增加運算放大器等輔助電路。下面對HCNR200/201的典型電路進行分析,對電路中如何實現(xiàn)反饋以及電流-電壓、電壓-電流轉換進行推導與說明。
3. 典型電路分析
Agilent公司的HCNR200/201的手冊上給出了多種實用電路,其中較為典型的一種如下圖所示：
輸入端電壓為Vin,輸出端電壓為Vout,光耦保證的兩個電流傳遞系數(shù)分別為K1、K2,顯然,,和之間的關系取決于和之間的關系。將前級運放的電路提出來看,如下圖所示：
設運放負端的電壓為,運放輸出端的電壓為,在運放不飽和的情況下二者滿足下面的關系：Vo=Voo-GVi(1)
其中是在運放輸入差模為0時的輸出電壓,G為運放的增益,一般比較大。
忽略運放負端的輸入電流,可以認為通過R1的電流為IP1,根據(jù)R1的歐姆定律得：
通過R3兩端的電流為IF,根據(jù)歐姆定律得：
其中,為光耦2腳的電壓,考慮到LED導通時的電壓（）基本不變,這里的作為常數(shù)對待。
根據(jù)光耦的特性,即
K1=IP1/IF (4)
將和的表達式代入上式,可得：
上式經變形可得到：
將的表達式代入（3）式可得：
考慮到G特別大,則可以做以下近似：
這樣,輸出與輸入電壓的關系如下：
可見,在上述電路中,輸出和輸入成正比,并且比例系數(shù)只由K3和R1、R2確定。一般選R1=R2,達到只隔離不放大的目的。
4. 輔助電路與參數(shù)確定
上面的推導都是假定所有電路都是工作在線性范圍內的,要想做到這一點需要對運放進行合理選型,并且確定電阻的阻值。
4.1 運放選型
運放可以是單電源供電或正負電源供電,上面給出的是單電源供電的例子。為了能使輸入范圍能夠從0到VCC,需要運放能夠滿擺幅工作,另外,運放的工作速度、壓擺率不會影響整個電路的性能。TI公司的LMV321單運放電路能夠滿足以上要求,可以作為HCNR200/201的外圍電路。
4.2 阻值確定
電阻的選型需要考慮運放的線性范圍和線性光耦的最大工作電流IFmax。K1已知的情況下,IFmax又確定了IPD1的最大值IPD1max,這樣,由于Vo的范圍最小可以為0,這樣,由于
考慮到IFmax大有利于能量的傳輸,這樣,一般取
另外,由于工作在深度負反饋狀態(tài)的運放滿足虛短特性,因此,考慮IPD1的限制,
這樣,
R2的確定可以根據(jù)所需要的放大倍數(shù)確定,例如如果不需要方法,只需將R2=R1即可。
另外由于光耦會產生一些高頻的噪聲,通常在R2處并聯(lián)電容,構成低通濾波器,具體電容的值由輸入頻率以及噪聲頻率確定。
4.3 參數(shù)確定實例
假設確定Vcc=5V,輸入在0-4V之間,輸出等于輸入,采用LMV321運放芯片以及上面電路,下面給出參數(shù)確定的過程。
* 確定IFmax：HCNR200/201的手冊上推薦器件工作的25mA左右;
* 確定R3：R3=5V/25mA=200;
* 確定R1：;
* 確定R2：R2=R1=32K。
5. 總結
本文給出了線性光耦的簡單介紹以及電路設計、參數(shù)選擇等使用中的注意事項與參考設計,并對電路的設計方法給出相應的推導與解釋,供廣大電子工程師參考。
