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哪種類型的光隔離器適合您的信號(hào)？
哪種類型的光隔離器適合您的信號(hào)？
光隔離器是一種電子設(shè)備，它使包含在信號(hào)中的信息能夠通過，同時(shí)在信號(hào)和設(shè)備之間提供電氣隔離。光隔離器充當(dāng)保護(hù)機(jī)制，確保有害電流不會(huì)流過設(shè)備。這是通過在電路中放置一個(gè)氣隙并通過間隙傳輸信息來實(shí)現(xiàn)的。
簡單來說，光隔離器的工作原理是接收輸入電信號(hào)并使用發(fā)光二極管將其轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通常在近紅外光譜中工作。然后，在同一設(shè)備中，光敏設(shè)備（例如光電二極管、光電晶體管或光電達(dá)林頓晶體管）將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。這為輸入端出現(xiàn)的任何電壓瞬變或過壓電平提供了屏障，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，以防止外部光線的干擾。
光隔離器廣泛用于通信、控制和監(jiān)控系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信號(hào)可以為損壞設(shè)備的有害電壓提供入口點(diǎn)。當(dāng)長數(shù)據(jù)電纜容易受到感應(yīng)電壓瞬變或接地平面浪涌影響進(jìn)入包含敏感半導(dǎo)體元件的電子設(shè)備時(shí)，它們特別有用。
值得一提的是，術(shù)語光耦合器和光隔離器經(jīng)常互換使用；然而，通常的慣例是，光耦合器是可以隔離高達(dá)約 5000V 電壓的設(shè)備，而光隔離器是可以隔離超過 5000V 電壓的設(shè)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，請研究數(shù)據(jù)表。
選擇光隔離器
選擇光隔離器時(shí)，要考慮的關(guān)鍵參數(shù)是隔離電壓、帶寬、線性度、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(shè)備本身的結(jié)構(gòu)和設(shè)備外部因素的控制。當(dāng)設(shè)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(nèi)部擊穿。類似地，當(dāng)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(shè)計(jì)的影響，即輸入和輸出的走線布線和分離方式以及設(shè)備周圍的環(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(xiàn)成光隔離器可以承受高達(dá) 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(hào)的變化率相對(duì)不重要。然而，在使用光隔離器來解耦數(shù)據(jù)鏈路和通信線路的情況下，設(shè)備的吞吐量變得至關(guān)重要。典型應(yīng)用范圍從相對(duì)低速的串行數(shù)據(jù)鏈路（如以數(shù)十 Mbps 運(yùn)行的 I2C 或 SPI）到以 Gbps 運(yùn)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，但也有專門設(shè)計(jì)用于更快數(shù)據(jù)速率的設(shè)備。請記住，任何光隔離器可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈接，請非常仔細(xì)地研究數(shù)據(jù)表。
值得一提的是，現(xiàn)成的無源網(wǎng)絡(luò)隔離器可用于有線以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)使用電磁感應(yīng)來提供不導(dǎo)電的屏障，而無需外部電源。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。
線性度
與任何半導(dǎo)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)系中將具有非線性元素，這會(huì)使通過隔離器的信號(hào)失真。確保光電二極管偏置并在其線性范圍內(nèi)工作，避免截止或飽和區(qū)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(hào)的情況下，任何殘留的非線性都會(huì)特別明顯。
已開發(fā)出專業(yè)的模擬光隔離器以最大限度地減少非線性；通常，它們使用連接到運(yùn)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，而具有相同非線性性能的第二個(gè)器件位于放大器的反饋回路中，通過抵消非線性進(jìn)行補(bǔ)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(shè)備并反映其效率。具有低 CTR 的光隔離器將需要更多電流來驅(qū)動(dòng) LED，以便在光電晶體管上為輸出負(fù)載產(chǎn)生足夠的電流。
CTR 不是常數(shù)，而是取決于組件的輸入電流。CTR 也將隨每個(gè)單獨(dú)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(shè)備的最高額定溫度和最長工作壽命下提供所需 CTR 的設(shè)備至關(guān)重要in. 組件的制造公差可能導(dǎo)致同一批組件內(nèi)的 CTR 范圍很廣，因此設(shè)計(jì)必須基于數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最低 CTR。所有這些因素都會(huì)使最佳設(shè)備的選擇變得棘手。如果有疑問，請為錯(cuò)誤添加適當(dāng)?shù)脑６炔⑹褂米顗那闆r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(duì)較低，并且會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，必須對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)處理，特別是因?yàn)楣飧綦x器本身的性能會(huì)受到熱效應(yīng)的不利影響。在設(shè)計(jì)電路布局時(shí)，請記住將光隔離器的輸入走線與所有其他走線（尤其是接地層和電源層）適當(dāng)分開，以防止走線之間的瞬態(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(hào)轉(zhuǎn)換為等效的光信號(hào)。光包含在封閉的光學(xué)通道內(nèi)，也稱為介電通道。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(hào)，或者使用接收到的光能來調(diào)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）來形成雙向光隔離器。性能和效率問題限制了雙向光隔離器的可用性和應(yīng)用。等效電路可以使用兩個(gè)反向配置的單向光隔離器來實(shí)現(xiàn)，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(shè)備通常具有平面結(jié)構(gòu)。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(shè)備通常具有硅膠圓頂結(jié)構(gòu)。LED 和傳感器芯片位于封裝的另一側(cè)，由透明硅膠圓頂形成的間隙隔開。圓頂?shù)男螤羁梢詫⒈M可能多的光從 LED 引導(dǎo)到傳感器。