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哪種類型的光隔離器適合您的信號？
哪種類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，同時在信號和設備之間提供電氣隔離。光隔離器充當保護機制，確保有害電流不會流過設備。這是通過在電路中放置一個氣隙并通過間隙傳輸信息來實現的。
簡單來說，光隔離器的工作原理是接收輸入電信號并使用發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。當長數據電纜容易受到感應電壓瞬變或接地平面浪涌影響進入包含敏感半導體元件的電子設備時，它們特別有用。
值得一提的是，術語光耦合器和光隔離器經常互換使用；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 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，請研究數據表。
選擇光隔離器
選擇光隔離器時，要考慮的關鍵參數是隔離電壓、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，將發生內部擊穿。類似地，當器件輸入引腳上的電壓跨越到輸出引腳時，將發生外部擊穿。這受 PCB 設計的影響，即輸入和輸出的走線布線和分離方式以及設備周圍的環境條件。發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，在使用光隔離器來解耦數據鏈路和通信線路的情況下，設備的吞吐量變得至關重要。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，但也有專門設計用于更快數據速率的設備。請記住，任何光隔離器可實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，現成的無源網絡隔離器可用于有線以太網網絡，這些網絡使用電磁感應來提供不導電的屏障，而無需外部電源。實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人情況。
線性度
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系中將具有非線性元素，這會使通過隔離器的信號失真。確保光電二極管偏置并在其線性范圍內工作，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，任何殘留的非線性都會特別明顯。
已開發出專業的模擬光隔離器以最大限度地減少非線性；通常，它們使用連接到運算放大器的兩個光電二極管。一個光電二極管照常工作，而具有相同非線性性能的第二個器件位于放大器的反饋回路中，通過抵消非線性進行補償。
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驅動 LED，以便在光電晶體管上為輸出負載產生足夠的電流。
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工作壽命下提供所需 CTR 的設備至關重要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。所有這些因素都會使最佳設備的選擇變得棘手。如果有疑問，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
要記住的最后一個因素是光隔離器本身的功率要求以及組件因損耗而產生的熱量的管理。基本組件的效率可能相對較低，并且會產生大量的熱能，必須對其進行適當處理，特別是因為光隔離器本身的性能會受到熱效應的不利影響。在設計電路布局時，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）適當分開，以防止走線之間的瞬態電容或電感耦合。
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通道內，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生電信號，或者使用接收到的光能來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，因此可以使用兩個光敏電阻（一個在光通道的每一端）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用。等效電路可以使用兩個反向配置的單向光隔離器來實現，但代價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。圓頂的形狀可以將盡可能多的光從 LED 引導到傳感器。