光隔离器 Opto-isolators

2022-11-03 10:40:02 浏览:435

定义

用于信号传输的光电器件,两个电路之间具有电气隔离。

图1:普通光隔离器包含一个LED和一个双极光电晶体管。

光隔离器,也称为光耦合器或光电耦合器,是光电元件,可用于在两个电路之间传输模拟或数字电信号,同时提供电气隔离。 光隔离器通常采用紧凑型封装,例如双列直插式封装,否则也用于小型电子元件,如运算放大器。

变压器通常也能获得类似的功能,但变压器不能传输直流信号,并且通常比光隔离器大得多,重量也大得多。

尽管有时使用术语光隔离器,但此类设备不得与法拉第隔离器等光隔离器混淆,后者仅允许光在一个方向上传输。

工作原理和变型

光隔离器的工作原理是将电信号转换为光信号,传输该光信号并将其转换回电信号。 当然,人们会选择与接收器的光谱响应非常匹配的发射器。 通常,使用红外发光二极管(LED,通常基于GaAs)和硅光电晶体管。 例如,它们安装在几毫米的距离内,在不透明的封装内。

还有带有其他类型的接收器的隔离器,例如光敏电阻(大部分已经过时)或p–i-n光电二极管,或带有达林顿光电晶体管的隔离器,以实现特别高的电流传输比(见下文)。 早期的设备使用白炽灯作为发射器。

甚至还有包含三端双向可控硅的设备;即使输入信号消失,输出也保持导通状态,直到输出电流以其他方式中断。

有用于发射器和接收器的集成驱动电路的光隔离器。

例如,简单的隔离器仅包含LED和光电晶体管(见图1),而不包含其他电子元件。 其他则包含完整的接收器电路,需要一些恒定的工作电压并提供输出电压信号。 类似地,某些器件包含接收输入电压信号的驱动器电路。

一种特殊形式是固态继电器,它明确用于切换负载,有点类似于基于磁致动机械开关的传统继电器;接收器可能包含一个或两个MOSFET(一种特殊的晶体管)。

当然,电气集成必须根据所用特定隔离器的类型和规格进行。 不同的隔离器之间存在很大差异。 例如,带有光敏电阻的器件可以任意极性使用,而带有光电二极管或光电晶体管的器件则不能。

还有双向光隔离器。 原则上,人们可以实现基于两个LED的这种设备,其中每个LED对另一个LED的光做出反应。 然而,通过为每个方向使用一个光隔离器,可以实现更好的性能,该光隔离器可以集成到一个通用封装中。

发射器和接收器之间的光耦合可以通过不同的方式完成。 例如,可以只是将发射器安装在接收器附近,以避免大量的光损失。 为了改善隔离,可以在它们之间插入一些介电材料。 也可以使用反射硅胶圆顶或一种多模波导。 特别是对于高隔离电压,人们可能更喜欢使用相对较长的波导,甚至可能是长光纤。

设备参数

光隔离器的基本参数包括:

  • 一个需要一定的输入电流到LED。 然而,这不是一个固定的值:它取决于接收器侧需要多少光电流,特别是对于基于LED和光电晶体管的常见器件:最大光电流与光功率成正比,光功率本身与LED驱动电流成正比。 因此,除了允许的最大输入电流外,制造商还指定了电流传输比,即光电流与驱动电流的比值。 电流传输比取决于发射器的效率、光传输到接收器的效率以及接收器的响应度。 光隔离器在这方面差异很大;虽然有些值远低于1%,但其他(使用光电晶体管和高效光耦合)的比率可能高于5(= 500%)。
  • 这种器件具有一定的指定隔离电压,即发射器和接收器之间的最大允许电压,通常为几千伏。 对于更高电压的操作,可能会发生电气击穿,这通常会损坏设备。
  • 工作带宽很容易在兆赫兹区域,有时甚至高于1 GHz。 最快的响应是使用p–i–n光电二极管获得的。 光电晶体管通常比光电二极管慢。
  • 通常,光电流和输入驱动电流之间的关系在相当大的范围内是相当线性的。 (为了利用这种线性度,可能需要一个驱动器电路,该电路提供与其输入电压成比例的输出电流。) 但是,有些器件用于数字信号,其中线性度不是相关方面。

光学器件

作          者: 泮桥成像光电商城

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