光电隔离器件和应用
光电隔离原理
光电隔离原理光电隔离是一种利用光学和电学相结合的技术，用于隔离输入和输出之间的电气信号。
它在电子设备中起着非常重要的作用，能够有效地隔离干扰信号，保护电路和设备的安全运行。
在本文中，我们将详细介绍光电隔离的原理和应用。
光电隔离的原理是利用光电转换效应，将输入信号转换成光信号，再通过光耦合器将光信号传输到隔离区域，最后再将光信号转换成输出信号。
光电隔离器件通常由发光二极管、光敏二极管和光耦合器组成。
当输入信号加到发光二极管上时，发光二极管会发出光信号，光信号经过光耦合器传输到隔离区域，再由光敏二极管将光信号转换成输出信号。
由于光信号的传输不受电气信号的影响，因此能够有效地隔离输入和输出之间的干扰。
光电隔离器件具有很多优点，首先，它能够实现电气信号的双向隔离，不仅可以隔离输入信号对输出信号的干扰，也可以隔离输出信号对输入信号的干扰。
其次，光电隔离器件具有高速传输和低延迟的特点，能够满足高速数字信号和精密模拟信号的传输要求。
此外，光电隔离器件还具有较高的隔离电压和耐热性能，能够在恶劣的工作环境下稳定工作。
光电隔离器件在电子设备中有着广泛的应用，特别是在工业控制系统、通讯设备、医疗仪器和电力电子设备中应用较为广泛。
在工业控制系统中，光电隔离器件能够有效地隔离高压和低压电路，保护控制系统的安全运行；在通讯设备中，光电隔离器件能够隔离输入输出信号，保护设备免受电气干扰；在医疗仪器中，光电隔离器件能够隔离患者和医疗设备之间的电气连接，保护患者的安全；在电力电子设备中，光电隔离器件能够隔离高压和低压电路，保护设备免受电气干扰。
总之，光电隔离技术作为一种重要的隔离技术，在电子设备中有着广泛的应用前景。
它能够有效地隔离输入和输出之间的电气信号，保护电路和设备的安全运行。
随着科技的不断发展，相信光电隔离技术将会有更广泛的应用和更深入的研究。
PC817A光电耦合器
PC817A/B/C--- 电光耦合器光耦特性与应用1.概述光耦合器亦称光电隔离器，简称光耦。
光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
光耦的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。
光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。
在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。
十几年来，新型光耦合器不断涌现，满足了各种光控制的要求。
其应用范围已扩展到计测仪器，精密仪器，工业用电子仪器，计算机及其外部设备、通信机、信号机和道路情报系统，电力机械等领域。
这里侧重介绍该器件的工作特性，驱动和输出电路及部分实际应用电路。
近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。
下面分别介绍光耦合器的工作原理及检测方法。
光耦的作用及工作原理
光耦的作用及工作原理
光耦是一种使用光电效应的器件，主要用于电气信号的隔离和传输。
它由发光二极管（LED）和光敏三极管（光电晶体管）组成，通过光的转换将电信号转化为光信号，再通过光信号传递给另一端的光敏三极管而恢复为电信号。
光耦的工作原理如下：当给LED端加上正向电压时，LED会发出光。
这个时候，光会穿过耦合区域进入光敏三极管。
光敏三极管的光电效应会使该器件的电阻发生变化，形成一个等效的电流。
当光强足够强时，光敏三极管的电流将接近最大值；当光强足够弱时，电流接近于零。
根据光敏三极管的输出电流变化，可以实现对输入信号的隔离和传输。
光耦主要有两个作用：隔离和传输。
首先，光耦能够实现输入信号和输出信号之间的电气隔离，能够有效地防止噪声、干扰和电流尖峰等问题对系统的影响。
其次，光耦能够将输入信号转化为光信号，并可通过光纤等光介质进行传输。
光信号具有较高的传输速率和抗干扰能力，适用于远距离传输和高速传输需求。
需要注意的是，在使用光耦时，应根据实际需求选择适当的型号和参数，确保所选光耦的输入电流和输出电流能够满足系统要求，并保证光信号的传输质量和稳定性。
光电隔离抗干扰技术及应用
光电隔离抗干扰技术及应用谢子青（浙江工业职业技术学院浙江绍兴312000）摘要：光电耦合技术主要是为了解决模拟电路和数字电路的集成、交叉应用时的相互干扰问题，同时具有信号整形、降低误操作等功能。
本文就光电隔离抗干扰技术的特性及在微机接口、功率驱动、远距离传送、过零检测电路中的应用做了介绍。
关键词：耦合器件；光电隔离；抗干扰性；计算机接口在实际的电子电路系统中，不可避免地存在各种各样的干扰信号，若电路的抗干扰能力差将导致测量、控制准确性的降低，产生误动作，从而带来破坏性的后果。
因此，若硬件上采用一些设计技术，破坏干扰信号进入测控系统的途径，可有效地提高系统的抗干扰能力。
事实证明，采用隔离技术是一种简便且行之有效的方法。
隔离技术是破坏“地”干扰途径的抗干扰方法，硬件上常用光电耦合器件实现电→光→电的隔离，他能有效地破坏干扰源的进入，可靠地实现信号的隔离，并易构成各种功能状态。
1 光电耦合器件简介光电耦合器件是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。
图1所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。
当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管截止，CE不通。
对于数字量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。
若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。
这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。
光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使通道上的信号噪声比大为提高，主要有以下几方面的原因：（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105～106Ω。
据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的噪声电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。
6N137光电隔离器原理及典型用法
6N137光电隔离器原理及典型用法6N137的结构原理如图1所示，信号从脚2和脚3输入，发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏管光照后导通，经电流一电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，当使能端为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。
当输入信号电流小于触发阂值或使能端为低时，输出高电平，但这个逻辑高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路。
图1 6N137结构原理图图2 6N137使用方法6N137简单的结构原理原理如图2A所示，若以脚2为输入，脚3接地，则真值表如附表所列，这相当于非门的传输。
若希望在传输过程中不改变逻辑状态，则从脚3输入，脚2接高电平。
6N137真值表输入使能输出H H LL H HH L HL L H隔离器使用方法如图2B所示，假设输入端属于模块Ⅰ，输出端属于模块Ⅱ。
输入端有A、B两种接法，分别得到反相或同相逻辑传输，其中RF限流电阻。
发光二极管正向电流0-250μA ,光敏管不导通；光二极管正向压降注12-1.7V，正向电流6.5-15mA,光敏管导通。
若以B方法联结，TTL电平输入，VCc1为5V时，RF可选500欧姆左右。
如果不加限流电阻或阻值很小，6N137仍能工作，但发光二极管导通电流很大,对VCC1有较大冲击，尤其是数字波形较陡时，上升、下降沿的频谱很宽，会造成相当大的尖峰脉冲噪声，而通常印刷电路板的分布电感会使地线吸收不了这种噪声，其峰-峰值可达100mV以上,足以使模拟电路产生自激，A/D 不能正常工作。
所以在可能的情况下,RF应尽量取大。
输出端由模块Ⅱ供电,VcC2=4.6-5.5V。
VOC2（脚8）和地（脚5）之间必须接一个0.1μF高频特性良好的电容，如瓷介质或钮电容，而且应尽量放在脚5和脚8附近。
这个电容可以吸收电源线上纹波，又可以减小光电隔离器接受端开关工作时对电源的冲击。
光电隔离线性放大器HCPL_7510及其应用
２００６年４月 地 质 装 备光电隔离线性放大器ＨＣＰＬ－７５１０及其应用赵毅１ 陈晓东１，２（１中国地质科学院物化探研究所 河北廊坊 ０６５０００）（２中国地质大学 北京 １０００８３）１ 功能简述 ＨＣＰＬ－７５１０是美国安捷伦公司生产的对电流敏感的隔离放大器，主要应用于马达电流的检测，也可应用于一般的模拟信号检测。
它的工作电压为隔离的双＋５伏，工作电流为１６ｍＡ，输入电压为：－２５６～＋２５６ｍＶ，线性度为０．０６％，带宽为１００ｋＨｚ，它有表贴和双列直插两种封装型式，图１是它的原理框图。
值为：４～５．１２Ｖ，故增益最大为１０倍。
当输入电压在－２５６～＋２５６ｍＶ之间时，其线性度为０．０６％。
图２ 为线性度曲线，图中参考电压为４Ｖ，由图２ 可看出当输入电压不在－２５６～＋２５６ｍＶ之间时，输出将为一固定值。
图２ ＨＣＰＬ－７５１０线性度曲线４ 典型应用电路２５图 ３典型应用电路２ 器件主要指标 共模抑制：15kV/uS (在Vcm=1000V) 增益温漂：60ppm/℃ 输入偏置电压：-0.6mV 输入偏置电压温漂：8uV/℃ 带宽：１００ｋＨｚ 线性度：0.06% 输入阻抗：700k 输出阻抗：15 输出噪声：３１．５ｍＶｒｍｓ３ 增益设定及线性度 ＨＣＰＬ－７５１０的增益由参考电压ＶＲＥＦ决定，其增益公式为：Ｇ＝ＶＲＥＦ／０．５１２， 其中ＶＲＥＦ为参考电压，其ΩΩ本文简要介绍了光电隔离线性放大器ＨＣＰＬ－７５１０的功能及性能指标，并给出应用实例。
并且对其优缺点进行了分析并给出了解决办法。
光电隔离 线性放大器摘 要：关 键 词：图１ 原理框图第７卷 第２期５ 应用实例 ＨＣＰＬ－７５１０可以用来在模拟电路和数字电路之间进行模拟信号的隔离，在一些模拟电路和数字电路混用的电路中，如果模拟信号对噪声要求较高，则必须加以隔离，否则数字电路将影响到模拟电路的正常工作。
由图２可看出，当输入为－２５６～＋２５６ｍＶ时，输出在０～４Ｖ之间。
光电隔离器应用实例
光电隔离器应用实例光电隔离器是一种广泛应用于电子电路中的电气隔离器件。
它能够实现不同电位之间的电气隔离、信号传输，避免高压危险或噪声干扰的影响。
本文将介绍光电隔离器的应用实例。
实例一：交流电压测量在交流电路中，由于电位不同，要对波形电压进行测量就需要使用光电隔离器。
光电隔离器可以消除输入端高电位源电流对测量电压带来的影响，并将测量信号传输到输出端，靠输出端外接电路来处理信号。
实例二：信号传输在电子电路中，信号处理模块与通讯模块的电位常常不同，需要使用光电隔离器实现信号传输。
通过光电隔离器将不同电位的信号隔离开来，能够有效避免干扰和损耗，并保证信号传输的稳定性和可靠性。
实例三：伺服控制伺服控制的实现需要传感器、计算机和执行机构协同工作，而它们的电位常常是不一致的，因此需要使用光电隔离器来实现电气隔离与信号传输。
光电隔离器能够有效地隔离不同电位之间的信号，使控制系统的性能更加优越。
实例四：开关量输入与输出在数字电路中，由于接口电路与微处理器之间存在电势差，需要使用光电隔离器将接口电路与微处理器隔离开来，以保证数字电路的正常工作。
同时，光电隔离器也常常用于开关量输入与输出，能够提高开关量输入和输出的稳定性和可靠性。
实例五：电力控制在电力控制领域中，常常需要使用光电隔离器进行控制信号转换和电气隔离，以保障操作人员的安全，并保证电力系统运行的稳定性。
光电隔离器能够有效地将控制电路与高电压电路分离开来，保证电气隔离，同时实现传输信号，使电力系统更加智能、高效。
综上所述，光电隔离器在电子电路、信号处理、伺服控制、数字电路等领域的应用广泛，能提高系统性能，保证操作安全，避免干扰和损耗，具有重要的实践价值。
光电隔离耦合电路
• 1.1 设计原理 • 光敏二极管是光伏型器件，有光伏型和光电导型两种工作模式[3]。 线性光耦内部大多采用光敏二极管进行光耦合，因此，线性光耦(如 SLC800等)大多都有两种工作模式。光敏三极管虽然是光伏效应器件， 但在零偏时，光敏三极管并无信号电流输出[4]。因此，利用光敏三极 管进行光耦合的光耦器件仅具有光电导型工作模式。 • 光敏三极管是一种相当于将基极、集电极光敏二极管的电流加以 放大的普通晶体管放大器[4-5]，其原理如图1(a)所示。其工作过程可 分为光电转换和光电流放大两个环节。当基极受光时，入射光子在基 区及收集区被吸收而产生电子-空穴对，生成光生电压，由此产生的 光生电流进入发射极，从而在集电极回路中得到了一个放大了β倍的 信号电流。由此可知，在同样光照、同样偏压条件下，光敏三极管的 输出电流是光敏二极管的β倍，所以光敏三极管构成的光耦电流传输 比是光敏二极管的β倍，电路中与光耦串联的同一阻值电阻的分压也 是β倍，如图1(b)所示。由此可通过利用光敏三极管进行光耦合的光 耦器件设计一种线性输出范围较宽的线性光耦隔离电路。
光电隔离耦合电路的原理及应 用
信号隔离的目的之一是从电路上把干扰源 和易干扰的部分隔离开来,使测控装置与现 场仅保持信号的联系,但不直接发生电联系。 随着自动化程度的不断提高,控制和现场电 路之间的隔离日益显示出重要性,作为自控 系统的核心,控制单元必须与各传感器和执 行器输入部分和输出部分组成，如图2所示。 • 双路光耦采用TLP521-2，由两个发光二极管和两个光敏三极管 构成。将两发光二极管串联使其通过相同的电流，进而使两光敏三极 管受光相同。一光敏三极管构成伺服反馈回路，经运算放大器反馈到 输入端，称为伺服光电管；另一光敏三极管构成输出回路，典型用法 是后接运算放大器，称为传输光电管。常规发光二极管对时间和温度 的响应都是非线性的。伺服反馈有利于发光二极管输出线性化，主要 是利用运算放大器的功能特性，微调发光二极管的传输电流作保证。 • 电容C的选用是必要的，在电路的工作过程中它主要起反馈作用 [6]，若不加电容在输出端会出现三角波，使运放两输入端的电压不能 保持一致，影响电路的精度。为增大电路的输入阻抗并减小输出阻抗， 在电路的输出端将运放A2作为跟随器使用，以提高电路的带负载能力。 • 为实现真正的隔离，必须对电路的输入和输出部分电路进行电源 隔离[2]，运放A1和伺服光电管使用同一电源，输出光电管和运放A2 使用同一电源。运放选用LM358。电容电阻的参数如表1所示。
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用途: 驱动大功率 IGBT或MOSFET (e.g. 1200V, 50A)
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IGBT 驱动电路(VO3120)实例
IGBT module rating up to 1200V 50A
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IGBT 驱动器(VO3120)应用实例
output
output R2 1K
(3)
(4)
Inverter
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光电晶体管(Phototransistor)与应用
(模拟模式 ) 隔离式开关电源（AC / DC变换器） Input: +85 to 265 VAC Output: 6.0 V, 2.0 A Key Parameter: Current Transfer Ratio CTR = IC / IF Example: CTR = 4.8mA / 5.6mA = 0.86 = 86%
适用于
• 适用于高干扰环境
CNY65Exi
• 超高隔离电压 • CNY65Exi可适用于易燃易爆环境 • Cat IV连接方式隔离应用
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高速光耦
Vcc1 (+5V)
6N137 VOx6xx SFH675x RB 330
Input
Vcc Vcc2 (+5V) RL Vo
4
为什么要隔离？
4. 浮动电平驱动问题
以上侧开关，H-桥，半桥，三相马达驱动为例,上侧IGBT导通时, 基准电压从0上 升到供电电压(+150V)。所以, 控制和驱动ronics
5
为什么要隔离？
5. 接地回路电流问题
两部分电路需要交换信息, 但它们的接地点电平不同或在接地线上有强烈的干 扰信号（地电流）。如果两个接地点之间不加以隔离就会叠加在信号上而产生 干扰
Pollution Degree 4 The Pollution leads to a constant conductivity.e.g. through conductive Dust, Rain or Snow.
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不同连接方式对光耦隔离电压的要求
Working Voltage Vrms oder DC 50 100 150 300 600 1000
SCK (Master) SCK (Slave)
MASTER SS SS
SLAVE
CS
MISO (Master)
MISO (Slave)
SDO
MOSI (Master)
MOSI (Slave)
SDI
SPI Bus Adapter
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SSR – Photo MOSFET 简介
输入和输出之间的隔离测试电压（VISO）额定值可以高达 7500伏。 具有绝缘性能好，安全可靠，体积小、寿命长、无触点， 抗干扰能力强，价格便宜等优点。
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7
光耦的基本构造
“面对面”（上下）或 “共面” 发射器（光源） - 红外发光二极管 （IR LED） • 接收器（光敏器件） - 红外探测器 （IR Detector) • 绝缘材料 – 透明环氧（间距：0.2至0.4毫米）
交流和直流电动机驱动和控制 不中断电源（UPS） 焊接设备 逆变器和DC / DC转换器 电磁感应炉
等离子显示器
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光隔离可控硅 (AC SSR)
有过零探测(ZC)和非过零探测(NZC)两种类型。
VO3120 & VO3150A 简介
光隔离IGBT/MOSFET驱动器, DIP-8 或 SMD-8 封装
输出峰值电流：2.5A（VO3120） 0.5A（VO3150A）
工作电压范围：15V - 32V
工作温度范围：-40 ºC 至 110 ºC
抗共摸干扰 (CMTI, min)：25kV/us @ 1500V 传播延迟: < 400ns
光电隔离器件和应用
为什么要隔离？
1.保护人身安全 – 与危险的高电压绝缘
110 to 380 VAC
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2
为什么要隔离？
2.保护控制单元(MCU)的安全
e.g. 高压大功率级的电机或DC-AC逆变器由脆弱的控制单元(MCU)控制
3-phase motor control
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光耦固态继电器(SSR)的分类
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光电晶体管(Phototransistor)与应用
(数字模式 ) Digital I/O: 1/0, High/Low, True/False, ON/OFF, Sat./OFF Key Parameter: Current Transfer Ratio (sat): CTR = IC / IF
VDD 3.3V R1 390 VCC 5V R2 1K output input
VDD 3.3V R1 390
VCC 5V
input R2 1K
output
(1)
Inverter
VDD 3.3V
VDD 3.3V R1 390 input VCC 5V R2 1K
(2)
VCC 5V
R1 390 input
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对光耦爬电距离的要求
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对光耦爬电距离的要求
Insulation Material Group
Insulation Material group I Insulation Material group II CTI CTI > 600 400 - 600
Installation Category IV III II 1500 2500 4000 6000 8000 12000 800 1500 2500 4000 6000 8000 500 800 1500 2500 4000 6000
I 330 500 800 1500 2500 4000
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设计要求: 1. 爬电距离的要求
2. CTR 漂移
1) 2) 3) 工作温度 正向电流 光衰
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17
线性光耦
Typical IL300 circuit
Linear Optocoupler
Products
IL300
Linear output High stability gain Different K3 BIN
IF
0.1 uF GND
Output
Circuit example
tPHL
tPLH
传输延迟
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高速光耦的应用
(隔离式现场总线接口) Fieldbus: • SPI • I2C • PROFIBUS • CANBUS Example: VO0631T, VO0661T 10 MBd, dual-channel, SOIC-8 Package
Input MUX: LH1526
双路常开, 400V, 100 mA 绝缘测试电压 (VISO): 5300 Vrms 绝缘工作电压 (VIORM): 890 V
Cell Balancing: VO14642
60V 2A
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IGBT/MOSFET Driver
Face to Face Construction
Emitter Chip Detector Chip
Coplanar Construction
Emitter Chip
Detector Chip
IR Transparent Epoxy Inner Mold
IR Reflector and Transparent Material
Insulation Material group IIIa CTI Standard - Optocoupler fall in this group.
Insulation Material group IIIb CTI
175 - 400
100 – 175
Pollution Degree
Pollution Degree 1 It appears no or only dry, non conductive Pollution. The Pollution has no Influence. Pollution Degree 2 It appears only non conductive Pollution. Occasional dew ( condensation ) Pollution Degree 3 It appears conductive Pollution or dry non conductive Pollution which can become conductive, because dew can be expected.
Power Devices Signal
Impeadance of wiring GND noise
Ground A
Ground B
GND noise Ground A Ground B