哪種類(lèi)型的光隔離器適合您的信號？

2021-09-01

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，它使包含在信號中的信息能夠通過(guò)，同時(shí)在信號和設備之間提供電氣隔離。光隔離器充當保護機制，確保有害電流不會(huì )流過(guò)設備。這是通過(guò)在電路中放置一個(gè)氣隙并通過(guò)間隙傳輸信息來(lái)實(shí)現的。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光隔離器的工作原理是接收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，在同一設備中，光敏設備（例如光電二極管、光電晶體管或光電達林頓晶體管）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)壓電平提供了屏障，以免影響光隔離器輸出端的電路。這些組件被密封在一個(gè)不透明的包裝中，以防止外部光線(xiàn)的干擾。

光隔離器廣泛用于通信、控制和監控系統，在這些系統中，數據信號可以為損壞設備的有害電壓提供入口點(diǎn)。當長(cháng)數據電纜容易受到感應電壓瞬變或接地平面浪涌影響進(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，術(shù)語(yǔ)光耦合器和光隔離器經(jīng)?；Q使用；然而，通常的慣例是，光耦合器是可以隔離高達約 5000V 電壓的設備，而光隔離器是可以隔離超過(guò) 5000V 電壓的設備。如果您看到此約定的例外情況，請不要感到驚訝。如果有疑問(wèn)，請研究數據表。

選擇光隔離器

選擇光隔離器時(shí)，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。我們將依次討論這些。

隔離電壓

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。該隔離電壓受光隔離器設備本身的結構和設備外部因素的控制。當設備的光源元件上的電壓跨越到光傳感器元件時(shí)，將發(fā)生內部擊穿。類(lèi)似地，當器件輸入引腳上的電壓跨越到輸出引腳時(shí)，將發(fā)生外部擊穿。這受 PCB 設計的影響，即輸入和輸出的走線(xiàn)布線(xiàn)和分離方式以及設備周?chē)沫h(huán)境條件。發(fā)生電弧的電壓取決于溫度、濕度、間隔距離、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大約 25 kV/μs 的電壓瞬變。

帶寬

在使用光隔離器去耦接地層或電壓感測輸入的情況下，隔離信號的變化率相對不重要。然而，在使用光隔離器來(lái)解耦數據鏈路和通信線(xiàn)路的情況下，設備的吞吐量變得至關(guān)重要。典型應用范圍從相對低速的串行數據鏈路（如以數十 Mbps 運行的 I2C 或 SPI）到以 Gbps 運行的高速協(xié)議。更基本的光隔離器通常具有大約 10 MHz的帶寬，但也有專(zhuān)門(mén)設計用于更快數據速率的設備。請記住，任何光隔離器可實(shí)現的數據速率將取決于輸出的加載方式和受溫度影響的方式。如果您要隔離快速數據鏈接，請非常仔細地研究數據表。

值得一提的是，現成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò )隔離器可用于有線(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，這些網(wǎng)絡(luò )使用電磁感應來(lái)提供不導電的屏障，而無(wú)需外部電源。實(shí)施光隔離器電路可能并不總是最合適的解決方案，但該決定將取決于您的個(gè)人情況。

線(xiàn)性度

與任何半導體器件一樣，光隔離器中使用的光電二極管在輸入和輸出之間的關(guān)系中將具有非線(xiàn)性元素，這會(huì )使通過(guò)隔離器的信號失真。確保光電二極管偏置并在其線(xiàn)性范圍內工作，避免截止或飽和區域，將在一定程度上減少這種影響。在使用光隔離器去耦模擬信號的情況下，任何殘留的非線(xiàn)性都會(huì )特別明顯。

已開(kāi)發(fā)出專(zhuān)業(yè)的模擬光隔離器以最大限度地減少非線(xiàn)性；通常，它們使用連接到運算放大器的兩個(gè)光電二極管。一個(gè)光電二極管照常工作，而具有相同非線(xiàn)性性能的第二個(gè)器件位于放大器的反饋回路中，通過(guò)抵消非線(xiàn)性進(jìn)行補償。

電流傳輸比

電流傳輸比 (CTR) 是 LED 和傳感器電流之間的比率，可有效地獲得設備并反映其效率。具有低 CTR 的光隔離器將需要更多電流來(lái)驅動(dòng) LED，以便在光電晶體管上為輸出負載產(chǎn)生足夠的電流。

CTR 不是常數，而是取決于組件的輸入電流。CTR 也將隨每個(gè)單獨的組件、其溫度和組件的使用年限而變化，因此選擇一種能夠在將使用光隔離器的設備的最高額定溫度和最長(cháng)工作壽命下提供所需 CTR 的設備至關(guān)重要in. 組件的制造公差可能導致同一批組件內的 CTR 范圍很廣，因此設計必須基于數據表中規定的最低 CTR。所有這些因素都會(huì )使最佳設備的選擇變得棘手。如果有疑問(wèn)，請為錯誤添加適當的裕度并使用最壞情況下的組件值模擬電路，以確保電路正常工作。

力量

要記住的最后一個(gè)因素是光隔離器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件的效率可能相對較低，并且會(huì )產(chǎn)生大量的熱能，必須對其進(jìn)行適當處理，特別是因為光隔離器本身的性能會(huì )受到熱效應的不利影響。在設計電路布局時(shí)，請記住將光隔離器的輸入走線(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)之間的瞬態(tài)電容或電感耦合。

建造

光隔離器通常使用近紅外 LED 將電輸入信號轉換為等效的光信號。光包含在封閉的光學(xué)通道內，也稱(chēng)為介電通道。光通道末端的光敏器件可以直接從接收到的光能中產(chǎn)生電信號，或者使用接收到的光能來(lái)調制從外部電源流出的電流。光感測裝置可以是光敏電阻、光電二極管、光電晶體管、可控硅整流器（SCR）或雙向可控硅。由于光敏電阻既可用作光源又可用作光敏器件，因此可以使用兩個(gè)光敏電阻（一個(gè)在光通道的每一端）來(lái)形成雙向光隔離器。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)是需要更多具有更大占位面積的分立元件。

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片玻璃或透明塑料，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設備通常具有硅膠圓頂結構。LED 和傳感器芯片位于封裝的另一側，由透明硅膠圓頂形成的間隙隔開(kāi)。圓頂的形狀可以將盡可能多的光從 LED 引導到傳感器。