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光电耦合器的作用是什么它都有哪些分类

2020-08-03 20:54      点击次数:

2020年5月12日,工业和信息化部组织制定的GB 18384-2020《电动汽车安全要求》、GB 38032-2020《电动客车安全要求》和GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄安全要求》三项强制性国家标准由国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准发布,将于2021年1月1日

  2020年5月12日,工业和信息化部组织制定的GB 18384-2020《电动汽车安全要求》、GB 38032-2020《电动客车安全要求》和GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄安全要求》三项强制性国家标准由国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准发布,将于2021年1月1日起开始实施  。标志着电动汽车市场的进一步规范化。

  电动汽车的组成包括:电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车内部存在电池管理、空调和牵引逆变器等各种子系统,工作条件不一,对功率器件及其驱动要求不尽相同。同时,与电动汽车配套的充电桩有交流/直流之分,充电功率/速度也不相同。

  在电动汽车中,牵引逆变器、CAN总线接口、信号传感、暖通空调(HVAC)和电源管理系统等等部分都会广泛用到光耦,来进行隔离通信、驱动以及反馈。运用到IGBT、隔离放大电路的地方,一般都有光耦大展身手的机会。如图一,为光耦应用于驱动电源。

  大电路的地方,一般都有光耦大展身手的机会。如图一,为光耦应用于驱动电源。在电动汽车使用的充电桩方面,直流快速充电站包括交流输入、DC/DC转换(包括电池对接)、功率因数校正(FPC电感等,电能转换和传输过程当中,需要对晶体管的栅极进行电流检测和电压检测并进行信号通信,也是光耦的潜在应用。随着电动汽车的规范逐渐完善与提升,对于光耦器件的要求也更明确,即工作频率要快,驱动电流要大。

  此外,光耦在电力电子通信、传统工业中应用非常广泛。电子系统需要解决:高压安全性、在具备相对较高接地电位差的子系统之间进行有效通讯、保证信号灵敏度等问题。光耦可以完美的解决这些问题,可于绝缘闸上耦合电子数据或控制讯号,因此能在传输讯号的同时阻挡噪=噪声并保护设备和操作人员免受高压影响。因此,自70年代以来,光耦广泛用于各种电路中。作为基础电子元器件,光耦广泛应用于工业设备,因其众多市场需求,需求数量庞大,光耦占据了隔离器市场的绝大部分,甚至在高性能市场(数据速率至少为1Mbps的隔离器产品和闸极驱动器等特定产品)也是如此。

  光电耦合器(OC)亦称光电隔离器或光耦合器,简称光耦,是一种以光作为媒介、把输入端的电信号耦合到输出端去的新型半导体“电—光—电”转换器件。如图二所示,为其基础原理示意。

  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。实现单向传输功能,并能够有效隔离噪声、抑制干扰,实现输入与输出之间的电绝缘。这种信号传递方式是所有采用变压器电磁继电器作隔离来进行信号传递的一般解决方案所不能相比的。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。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。

  光电耦合器大体分为两种:一种为非线性光耦,另一种为线性光耦。通常的光耦由于它的非线性,因此在模拟电路中的应用只限于对较高频率的小信号的隔离传送。普通光耦合器只能传输数字(开关)信号,不适合传输模拟信号。线性光耦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。

  非线性光耦电流传输特性曲线是非线性的,适合于开关信号的传输,不适合于传输模拟量,用于开关电源中有可能使振荡波形变坏,严重时出现寄生振荡。

  线性光耦的电流传输特性曲线接近直线,并且小信号时性能较好,能以线性特性进行隔离控制。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样,虽然两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电路的非线性特性都是一样的。这样,就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。

  如图三所示,其中1与2引作为隔离信号的输入,3与4引脚用于反馈,5与6引脚用于输出。1与2引脚之间的电流记作If,3与4引脚之间,5与6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。输入信号经过电压-电流转化,电压的变化体现在电流If上,IPD1和IPD2基本与If成线= IPD2 / If 。K3=K2/K1,设计外围电路时,根据需要达到的目标,确定外围电阻,由外部电路和K3实现隔离放大的目标。

  1.无反馈型线性光耦器件实际上是在生产工艺和器件的材料和上采取措施使得光耦器件的输入输出特性的非线性得到改善。但由于发光二极管和光电三极管的固有特性,改善十分有限。这种光耦器件主要用于对线性区的范围要求不大的情况,例如应用在开关电源的电压隔离反馈电路中。由于开关电源在正常工作时的电压调整率不大,通过对反馈电路参数的适当选择,就可以使光耦器件工作在线性区。但由于这种光耦器件只是在有限的范围内线性度较高,所以不适合使用在对测试精度以及范围要求较高的场合。在开关电源电路中实际调试时发现线性光耦很容易工作在非线性的情况,主要是因为无反馈型线性光耦线.另一种线性光耦是反馈型器件。其作用原理是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样虽然两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电路的非线性特性都是一样的,这样,就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。

  光耦按光路径分,可分为外光路光电耦合器(又称光电断续检测器)和内光路光电耦合器。外光路光电耦合器又分为透过型和反射型光电耦合器。

  高速光耦响应速度快,它的结构是光敏二极管+放大驱动电路,普通光耦的结构是光敏三极管(+放大驱动电路)。光敏二极管的响应速度是纳秒级,光敏三极管的响应速度是微秒级。普通光耦工作在线性区,受限于截至频率Fc,达到  百KHZ需要满足一定的条件。ISOCOM 有1M bps光耦,10Mbps光耦,以及高速达林顿光耦。

  高速光耦具有可单向传递信息、通频带宽、寄生反馈小、消噪能力强、抗电磁干扰性能好等特点,因而无论在

  还是在模拟电路中均得到了越来越广泛的应用,并且还具有有体积小、耦合密切、驱动功率小、动作速度快、工作温度范围宽等优点。具备强稳的抗噪声能力、高弹性的供电电压运作范围以及多种小巧的封装选择,并具备高共模拒斥和短传播延迟,提供强稳有效率的运作,可减少 PCB 板的空间,应用于 AC 和 DC 无刷马达驱动器、工业变频器、空调机等。因其短传播延迟,可提供快速开关速度,进而降低停滞时间并提高移动的效率和精密度,高速光耦极大的拓展了光电耦合器在数字信号处理中的应用。fqj

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