中心議題：

• 光電耦合器的性能特點
• 光電耦合器的選取原則
• TLP521-4簡介

解決方案：

• 結合設計實際要求選擇單芯片集成多路光耦的器件
• 光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許範圍是不小於500％
• 光電耦合器的傳輸速度適中

光電耦合器(以下簡稱光耦)是一種由發光器件和光敏器件組成的光電器件。它能實現電→光→電信號的轉換，並且輸入信號與輸出信號隔離。目前絕大多數的光耦輸入采用砷化镓紅外發光二極管，輸出采用矽光電二極管
、矽光電三極管及光觸發可控矽。因為峰值波長900～940nm的砷化镓紅外發光二極管能與矽光電器件的響應峰值波長相吻合，可獲得較高的信號傳輸效率。

交換的兩設備之間的公共地線，使兩設備電氣隔離翻。同時，在電→光→電(dian)信(xin)號(hao)的(de)轉(zhuan)換(huan)中(zhong)，就(jiu)光(guang)電(dian)耦(ou)合(he)器(qi)件(jian)而(er)言(yan)，隻(zhi)要(yao)其(qi)輸(shu)入(ru)端(duan)有(you)一(yi)定(ding)的(de)電(dian)流(liu)
，其(qi)輸(shu)出(chu)端(duan)就(jiu)能(neng)輸(shu)出(chu)相(xiang)應(ying)的(de)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)。因(yin)此(ci)，邏(luo)輯(ji)電(dian)平(ping)的(de)信(xin)號(hao)傳(chuan)遞(di)變(bian)成(cheng)了(le)固(gu)定(ding)的(de)電(dian)流(liu)環(huan)中(zhong)電(dian)流(liu)有(you)否(fou)的(de)狀(zhuang)態(tai)傳(chuan)遞(di)。

適當增大電流(低阻傳輸)，shijiazazaixinhaozhongdedianqizaoshengbeiwanquanxianzhizaisuoxuanzedekaiguandianliufudunei

，jixiangduiruoxiaodeganraoxinhaodianliuwufagaibianyouyongxinhaodianliudeyouwuzhuangtai，jiukeyouxiaodiyizhiganrao
，tigaoxinxichuanshudekekaoxing。bingzengjiashujudechuanshujuli。guangouheqiyibanyouguangdefashe、光的接收及信號放大組成。

輸入的電信號驅動發光二極管(LED)
，使之發出一定波長的光。被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大後輸出。就完成了電一光一電的轉換，從而起到輸入、輸出、gelidezuoyong。youyuguangouheqishurushuchujianhuxianggeli，dianxinhaochuanshujuyoudanxiangxingdengtedian，yinerjuyoulianghaodedianjueyuannenglihekangganraonengli。youyouyuguangouheqideshurenduanshuyudianliuxinggongzuodedizuyuanjian
，yinerjuyouhenqiangdegongmoyizhinengli。

所(suo)以(yi)
，它(ta)在(zai)長(chang)線(xian)信(xin)息(xi)傳(chuan)輸(shu)中(zhong)作(zuo)為(wei)終(zhong)端(duan)隔(ge)離(li)元(yuan)件(jian)可(ke)以(yi)大(da)大(da)提(ti)高(gao)信(xin)噪(zao)比(bi)。在(zai)計(ji)算(suan)機(ji)數(shu)字(zi)通(tong)信(xin)及(ji)實(shi)時(shi)控(kong)製(zhi)中(zhong)作(zuo)為(wei)信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)的(de)接(jie)口(kou)器(qi)件(jian)
，可(ke)大(da)大(da)增(zeng)加(jia)計(ji)算(suan)機(ji)工(gong)作(zuo)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。

光電耦合器的性能特點

光guang耦ou合he器qi的de主zhu要yao優you點dian是shi單dan向xiang傳chuan輸shu信xin號hao，輸shu人ren端duan與yu輸shu出chu端duan完wan全quan實shi現xian了le電dian氣qi隔ge離li，抗kang幹gan擾rao能neng力li強qiang
，使shi用yong壽shou命ming長chang
，傳chuan輸shu效xiao率lv高gao。它ta廣guang泛fan用yong於yu電dian平ping轉zhuan換huan、信號隔離、級間隔離、開關電路、遠距離信號傳輸、脈衝放大、固態繼電器(SSR)

、儀器儀表、通(tong)信(xin)設(she)備(bei)及(ji)微(wei)機(ji)接(jie)口(kou)中(zhong)。在(zai)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)中(zhong)，利(li)用(yong)線(xian)性(xing)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)可(ke)構(gou)成(cheng)光(guang)耦(ou)反(fan)饋(kui)電(dian)路(lu)
，通(tong)過(guo)調(tiao)節(jie)控(kong)製(zhi)端(duan)電(dian)流(liu)來(lai)改(gai)變(bian)占(zhan)空(kong)比(bi)，達(da)到(dao)精(jing)密(mi)穩(wen)壓(ya)目(mu)的(de)。

光耦合器的技術參數主要有發光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR
、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極一發射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極一發射極飽和壓降VCE(sat)，此外，在傳輸數字信號時還需考慮上升時間
、下降時問、延遲時間和存儲時間等參數。電流傳輸比CTR是光耦合器的重要參數
，通常用直流電流傳輸比表示。當輸出電壓保持恒定時，其等於直流輸出電流IC與直流輸入電流，IF的百分比：CTR=IC／IF×100％。

采用一隻光敏三極管的光耦合器，CTR的範圍為20％～300％(如4N35)，而PC817為80％～160％，達林頓型光耦合器(如430)可達100％～5000％。這表明欲獲得同樣的輸出電流
，後者隻需較小的輸入電流。

光電耦合器的選取原則

在設計光耦光電隔離電路時必須正確選擇光耦合器的型號及參數，選取原則如下：

(1)由you於yu光guang電dian耦ou合he器qi為wei信xin號hao單dan向xiang傳chuan輸shu器qi件jian
，而er電dian路lu中zhong數shu據ju的de傳chuan輸shu是shi雙shuang向xiang的de，電dian路lu板ban的de尺chi寸cun要yao求qiu一yi定ding，結jie合he電dian路lu設she計ji的de實shi際ji要yao求qiu
，就jiu要yao選xuan擇ze單dan芯xin片pian集ji成cheng多duo路lu光guang耦ou的de器qi件jian；

(2)光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許範圍是不小於500％。因為當CTR<500％時，光耦中的LED就需要較大的工作電流(>5.0mA)，才能保證信號在長線傳輸中不發生錯誤，這會增大光耦的功耗；

(3)光guang電dian耦ou合he器qi的de傳chuan輸shu速su度du也ye是shi選xuan取qu光guang耦ou必bi須xu遵zun循xun的de原yuan則ze之zhi一yi，光guang耦ou開kai關guan速su度du過guo慢man
，無wu法fa對dui輸shu入ru電dian平ping做zuo出chu正zheng確que反fan應ying，會hui影ying響xiang電dian路lu的de正zheng常chang工gong作zuo。

(4)推薦采用線性光耦。其特點是CTR值(zhi)能(neng)夠(gou)在(zai)一(yi)定(ding)範(fan)圍(wei)內(nei)做(zuo)線(xian)性(xing)調(tiao)整(zheng)。設(she)計(ji)中(zhong)由(you)於(yu)電(dian)路(lu)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)均(jun)是(shi)一(yi)種(zhong)高(gao)低(di)電(dian)平(ping)信(xin)號(hao)，故(gu)此(ci)
，電(dian)路(lu)工(gong)作(zuo)在(zai)非(fei)線(xian)性(xing)狀(zhuang)態(tai)。而(er)在(zai)線(xian)性(xing)應(ying)用(yong)中(zhong)，因(yin)為(wei)信(xin)號(hao)不(bu)失(shi)真(zhen)的(de)傳(chuan)輸(shu)，所(suo)以(yi)，應(ying)根(gen)據(ju)動(dong)態(tai)工(gong)作(zuo)的(de)要(yao)求(qiu)
，設(she)置(zhi)合(he)適(shi)的(de)靜(jing)態(tai)工(gong)作(zuo)點(dian)，使(shi)電(dian)路(lu)工(gong)作(zuo)在(zai)線(xian)性(xing)狀(zhuang)態(tai)。

通tong常chang情qing況kuang下xia
，單dan芯xin片pian集ji成cheng多duo路lu光guang耦ou的de器qi件jian速su度du都dou比bi較jiao慢man，而er速su度du快kuai的de器qi件jian大da多duo都dou是shi單dan路lu的de，大da量liang的de隔ge離li器qi件jian需xu要yao占zhan用yong很hen大da布bu板ban麵mian積ji，也ye使shi得de設she計ji的de成cheng本ben大da大da增zeng加jia。在zai設she計ji中zhong
，受shou電dian路lu板ban尺chi寸cun、傳輸速度、設計成本等因素限製，無法選用速度上非常占優勢的單路光耦器件，在此選用TOSHIBA公司的TLP521-4。

TLP521-4簡介

光電隔離模塊TLP521-4(GB)是一款具有完整基極一發射極的性能優良的固定延時光電耦合器，它具有最優轉換速度

、高溫性能等特點。該器件主要特性：電流轉換率為100％～500％；隔離電壓為2500Vrms(min)；發射一接收電壓為55V(min)；泄漏電流為lOμA(max)(Ta=85℃)
；最小轉換時間為42μs。
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TLP52l-4(GB)的典型電路如圖1所示
，具體的轉換時間參數見表1。由表1可知，TLP521_4(GB)最大傳輸延遲時間為42μs
，係統需要在1ms內完成8gezijiededuhuoxie，zuidachuanshuyanchishijianyimanzudianluchuanshuyanchishijiandeshuiping
，yinerzaichuanshusudushangwanquannenggoumanzuchangxianchuanshudeyaoqiu。tongguoduiqishuruduandekongzhi
，keshiguangouangongzuoxuyaodakaihuoguanbi。dangzaishurukongzhiduanjiagaodianpingshi，guangouzhengchanggongzuo。jiangshuruduanxinhaoouhedaoshuchuduan，erdangzaishurukongzhiduanjiadidianpingshi
，qishuchuduanjidianjikailusanjiguanjiezhi，duiwaichenggaozutai。

電路設計

在(zai)長(chang)線(xian)傳(chuan)輸(shu)中(zhong)，正(zheng)是(shi)因(yin)為(wei)地(di)線(xian)的(de)交(jiao)流(liu)阻(zu)抗(kang)特(te)性(xing)，使(shi)得(de)地(di)線(xian)成(cheng)了(le)電(dian)路(lu)中(zhong)事(shi)實(shi)上(shang)的(de)最(zui)大(da)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)。地(di)線(xian)造(zao)成(cheng)幹(gan)擾(rao)的(de)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)是(shi)地(di)線(xian)存(cun)在(zai)阻(zu)抗(kang)，當(dang)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)地(di)線(xian)時(shi)，會(hui)在(zai)地(di)線(xian)上(shang)產(chan)生(sheng)電(dian)壓(ya)

，這(zhe)就(jiu)是(shi)地(di)線(xian)噪(zao)聲(sheng)。在(zai)這(zhe)個(ge)電(dian)壓(ya)的(de)驅(qu)動(dong)下(xia)
，會(hui)產(chan)生(sheng)地(di)線(xian)環(huan)路(lu)電(dian)流(liu)
，形(xing)成(cheng)地(di)環(huan)路(lu)幹(gan)擾(rao)。南(nan)於(yu)發(fa)送(song)和(he)接(jie)收(shou)設(she)備(bei)共(gong)用(yong)一(yi)段(duan)地(di)線(xian)，會(hui)形(xing)成(cheng)公(gong)共(gong)阻(zu)抗(kang)耦(ou)合(he)。

采用光電隔離器TLP521-4對發送和接收設備進行電氣隔離，對於減小交流阻抗的作用十分明顯
，進而增大傳輸電流，有效地抑製地線噪聲；同時由於74LS244N的應用。總線驅動能力得到保障。圖2為光耦發送和接收電路示意圖。圖2中

，上半部兩光耦自左向右傳輸信號
，下半部兩光耦自右向左傳輸信號
，左端74LS244N通過靜態存儲器IDT7132與處理器進行數據交換，右端通過8255與處理器進行數據交換。

調試中

，輸入周期為100μs，占空比為1／2的+5V方波

，對一路光耦的輸入端波形和經過20m長線後接收光耦的輸出端波形以及經過74LS244整形後的波形進行記錄。記錄結果如圖3所示。


                       

從cong輸shu入ru輸shu出chu波bo形xing的de比bi較jiao來lai看kan，電dian路lu能neng對dui輸shu入ru波bo形xing中zhong疊die加jia的de噪zao聲sheng幹gan擾rao具ju有you明ming顯xian的de抑yi製zhi作zuo用yong，使shi輸shu出chu波bo形xing變bian得de光guang滑hua且qie穩wen定ding
，提ti高gao了le輸shu出chu信xin噪zao比bi。雖sui然ran由you於yu光guang耦ou的de轉zhuan換huan時shi間jian問wen題ti，波bo形xing的de占zhan空kong比bi發fa生sheng了le微wei量liang變bian換huan
，但dan是shi由you於yu電dian路lu輸shu入ru輸shu出chu均jun是shi一yi種zhong高gao低di電dian平ping信xin號hao，故gu不bu影ying響xiang信xin號hao的de正zheng確que傳chuan輸shu。

                                           

采(cai)用(yong)上(shang)述(shu)方(fang)法(fa)應(ying)用(yong)於(yu)並(bing)口(kou)長(chang)線(xian)傳(chuan)輸(shu)電(dian)路(lu)，能(neng)夠(gou)在(zai)保(bao)持(chi)並(bing)口(kou)傳(chuan)輸(shu)的(de)速(su)度(du)優(you)勢(shi)以(yi)及(ji)係(xi)統(tong)結(jie)構(gou)不(bu)變(bian)時(shi)，保(bao)證(zheng)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)。在(zai)長(chang)距(ju)離(li)的(de)並(bing)口(kou)傳(chuan)輸(shu)中(zhong)，隻(zhi)要(yao)對(dui)原(yuan)來(lai)短(duan)距(ju)離(li)並(bing)口(kou)電(dian)路(lu)稍(shao)加(jia)改(gai)動(dong)，就(jiu)可(ke)以(yi)保(bao)證(zheng)通(tong)信(xin)雙(shuang)方(fang)的(de)高(gao)速(su)隔(ge)離(li)並(bing)進(jin)行(xing)通(tong)信(xin)
，因(yin)而(er)具(ju)有(you)較(jiao)大(da)實(shi)用(yong)價(jia)值(zhi)。