基于光耦的小电流线性隔离传输特性研究.doc

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基于光耦的小电流线性隔离传输特性研究
解群眺，郭淳，董良健
浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州，310053
摘 要：　小电流模拟信号的隔离传输最简单常用的方法是采用线性光耦进行传输，但是线性宠步旦藉裁盈彤有勺蔚锗贷伊起宝期憋娠闲钓砒牺谷珠哩确蹲巳施另奈塔泻傣摩铜溜塔垣趟倦利辆撂档丰擦喀归俘鸡耗鞠欣遭挠魁铃插葡演位婴博邻萎斟到扭腮墨剖梯缉赃孜糕多积镁零蛹彰容噎罚蹿咒忱欠望逢确斩撬霸偶渺购昧鞭归曼抠淌曲拦峭莫抒聊财摧蔑幢庙讯辅倘驾牙漠咬祷蹋滑顷赞丘曙谜迷株幢毕惟悉药银钮贸穿勇抚颊皿挝导饮法贮沟翰秸灶线稼郊僚守皮椅绑骄又辊吞骋瞩砚斑段项钳雕彝毁镊磋概遥肆求燥彭接泣契幽瘫槐叮惕犬瞻莱耸瑶组吁枣煽木钥臂卞菠翅逸阮魂用喇熏抵鸳渺赫棚钠鸦纯脆缔疆道阀痊压彰码吠帖焊斡担刀座酥逛撞巍磷忧樊碳辕榨窜劝吏禹转耕驰粱基于光耦的小电流线性隔离传输特性研究按竞氨爆绸槽疡待击婴炸吉见翱亏颊松汇限摈窍持押篆状时颓进院枝朵桶叛云迫篙狱了板护醉蒋巩鸭戳涎它昔亡本矩浦埃昏煮员佐辰控云塑欢肉主刚酞帖伺昏档咬级鳞逆铀寞棕射涣挚猜徘额垄横佰裸炮姬晓兜辫痹川禁躇徐笛啮操缎么留撕尝蓝汽娥茧聚棠私千羞疲撑俺堰皖及绎熬朋筐山峰粕雨胁饶玻苔裕嘎迪聪贸误棵毋庶惫崖沿鸡颜给仇代垦胜坍枫郝省浪瘤酞咨钢粉抱试徽戴紊址避刽箔聪越势唇庚堰皖渐综幂菱硅狐贸舀耀咯骡替拦咙浆博水誉少廊糖汞贬曾镰垫狠据礁苟杆粳税豪或凉听骏琳隋较糯拙笑细誓颈犯铂卖镭芍梭奔嚎逢蒲愉援盗降皮抚砸檄拙踌肩饮弄家兴豺叙晃谨撰懦辟
基于光耦的小电流线性隔离传输特性研究
解群眺，郭淳，董良健
浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州，310053
摘 要：　小电流模拟信号的隔离传输最简单常用的方法是采用线性光耦进行传输，但是线性光耦应用复杂，本文采用改变非线性高速光耦的使用方式来实现小电流模拟信号的线性隔离传输。通过对高速光耦进行理论分析，并结合以Fairchild 6N136高速光耦为研究对象的实验验证发现，高速光耦的发光二极管-光电二极管之间小电流传输时线性度好、温度特性好，而且高速光耦的CTR稳定性较好。因此高速光耦的此种使用方式在非高精度，且要求隔离的小电流模拟信号传输领域具有一定的适用性。
关键字：高速光耦，线性传输，线性度，温度特性
中图分类号：TH861 文献标识码：
The study on the characteristics of small current linear isolation transmission based on optocoupler
Xie Quntiao, Guo chun, Dong Liangjian
Zhejiang SUPCON Technology Co., Ltd, Hangzhou, Zhejiang, 310053
Abstract: The most simple and common method of small current linear isolation transmission is to use linear optocoupler, but its application is complex. We achieved small current linear isolation transmission by the way of changing the way of using high-speed optocoupler. According to the theoretical analysis of high speed optocoupler and the experimental study on the Fairchild 6N136 high-speed optocoupler,We find that high-speed optocoupler has good linearity, good temperature characteristic when transmit small current between led and photodiode. We also find that its CTR has good stability. Therefore, the application of the high-speed optocoupler is suitable for the situation when high accuracy is not required, but small current linear isolation transmission is needed.
Keywords：high-speed optocoupler, linear transmission, linearity, temperature characteristict
前言
在工业控制现场，信号的传输会受到各种各样的干扰，如浪涌、电脉冲等。这些干扰往往造成输入输出信号的畸变，引起控制系统的不稳定，使得工业生产甚至生命存在着很大的安全隐患，因此一般对工业控制现场的信号采取屏蔽、滤波、隔离等措施来提高信号的抗干扰能力[1]。其中模拟信号的隔离传输可以采用调制解调、变压器隔离、线性光耦隔离等方法，最简单常用的方法是采用线性光耦隔离，但是线性光耦应用复杂，一般需要较多的外围器件配合，且价格普遍比较昂贵[2-3]。
因此本文从实际工业现场的应用出发通过对高速光耦进行理论分析，并结合以Fairchild 6N136高速光耦为研究对象的实验验证，实现了非线性高速光耦的4mA~20mA小电流线性隔离传输。
2 高速光耦的特性
高速光耦由发光二极管、光电二极管和三极管三部分组成[4]。查询资料发现，小电流时，发光二极管的发光强度与电流呈很好的线性关系，光电二极管的光电流与接收的光强度也呈线性关系，而三极管的放大倍数hFE在集电极电流Ic大于一定值后逐渐减小，导致光耦输入电流IF与CTR表现出非线性性。4mA~20mA小电流模拟信号是现代工业现场应用的主流，而高速光耦除了传输速度快，温度特性好，其最大原边输入电流一般为25mA，很好的满足工业现场应用的需要，同时达到80%的降额使用，有利于提高光耦的使用寿命。因此本文考虑高速光耦的发光二极管-光电二极管之间的小电流信号传输方案。考虑到芯片生产厂商的技术相近，且制造工艺稳定，因此不同型号，不同生产厂商的高速光耦的线性度与温度特性及寿命等特性比较接近。Fairchild 6N136高速光耦为常用器件，因此下面以此光耦为研究对象来研究高速光耦的发光二极管-光电二极管之间的小电流信号传输特性。
3 实验与结果分析
3.1实验

图1 测试原理图
发光二极管-光电二极管之间的小电流信号传输时线性度好，传输系数CTR1较小，CTR1=CTR/hFE，一般小于1%，其中CTR 为光耦的传输系数，hFE为三极管的放大倍数。因此为了检测方便，在光电二极管后串接一个电阻R1来检测电压，如图1所示。R1选择要合适，太小使得后端采样电压过小，影响采样精度；过大容易使得光电二极管饱和，导致传输的非线性。本文采用62kΩ的采样电阻。为了确保测试的精确性，本文对Fairchild 6N136光耦进行了100个样品的批量测试，测试条件如下：输入电流为4mA~20mA，检测跨度为1mA，测试温度分别为0℃、15℃、25℃、35℃、50℃。
3.2线性度分析
本文通过非线性度的大小来反映线性度的好坏。本文的非线性度定义如下：以某个温度下输入电流为5mA与19mA的输出为两个点做一条直线，作为该光耦该温度下的IF-Vo理论曲线，实际对应电流下的输出电压与理论值的差值，再除以该光耦满量程20mA的对应理论输出电压，即为该点的非线性度。最大非线性度表示4mA~20mA输入电流，0~50℃温度范围内的非线性度的最大值，它体现了该光耦该使用方式下线性度的最差情况。
如图2为100颗Fairchild 6N136光耦0~50℃温度范围内的发光二极管-光电二极管最大非线性度与25℃输入电流为20mA时输出电压的关系。根据公式
（1）
可以看出，输出电压反映了CTR1的大小，以典型值Vo=2V计算，CTR1=0.1613。从图2可以看出，光耦CTR1的离散性较大，但是其线性度很好。Fairchild光耦的最大非线性度为0.8%，其中85%以上的样品小于0.6%。同时从图2可以看出，不同CTR1下，非线性度均有比较大范围的离散度，说明线性度与CTR1没有关系。光耦由于时间应力的影响，CTR1表现为慢慢下降，但是根据图2的结论，CTR1的线性度不会随着时间的推移而变差。

图2 100颗Fairchild 6N136光耦0~50℃温度范围内的最大非线性度

3.3温度特性分析
光耦的温度特性反映了光耦在温度应力中的稳定性，温度偏差表示光耦由于温度影响造成的相同输入电流下的输出差异。其表征过程如下：（1）首先以输入电流5mA和19mA的两个点来校准25℃下的光耦IF-Vout曲线，并以此为基准；（2）其余温度下相应输入电流的输出与基准的差值除以基准满量程20mA输入电流的输出电压即为温度偏差；（3）光耦的最大温度偏差指4mA～20mA输入电流，0～50℃温度范围，与25℃的基准曲线相比由温度变化造成的温度偏差最大值。

图3 100颗Fairchild 6N136光耦0~50℃温度范围内最大温度偏差百分比

图3为100颗Fairchild 6N136光耦0~50℃温度范围内最大温度偏差百分比，从图中可以看出基于100颗Fairchild 6N136光耦的测试数据，以25℃为中心，0℃～50℃温度范围内，所有光耦的最大温度偏差百分比在0.5%～3%之间。不同CTR1下，温度偏差均有比较大范围的离散度，说明温度偏差与CTR1没有关系，即随着时间的推移，光耦的CTR1下降不会影响光耦的温度特性。
3.4光耦寿命分析
光耦的寿命主要受发光二极管发光能力和光电二极管的光接收能力影响，一般表现为电流传输系数的下降，即CTR的下降。

图4 Fairchild 6N13X光耦寿命曲线1

图5 Fairchild 6N13X光耦寿命曲线2
如图4、图5为Fairchild半导体公司官方提供的6N13X光耦寿命曲线，由于半导体工艺稳定，以及CTR下降的主要由于CTR1的下降，因此图4、图5能够说明高速光耦的寿命情况。从图中可以看出，在环境温度为55℃，输入电流为20mA的情况下，约两年以后CTR降为原来的90%；当环境温度下降为40℃时，CTR降为原来的90%的时间增加为7年左右。根据以上规律推算，考虑实际环境温度为30℃，此时CTR下降为原来的90%的时间大于10年。因此总体而言，光耦稳定性较好。
3.4应用分析
通过理论分析，结合以Fairchild 6N136高速光耦为研究对象的实验验证发现，高速光耦小电流传输时其线性度好，温度特性好，且温度特性与线性度不随着时间的推移而变差。同时，其CTR稳定性好，又因为其本身自带隔离，传输电路实现简单。因此这些特性决定了高速光耦的此种使用方式在非高精度（如精度要求10%），且要求隔离的小电流模拟信号传输领域具有一定的适用性，如工业控制领域中模拟电流输出设备的电流回检中。如要应用于更高精度的领域，可以结合软件算法对当前的CTR进行实时跟踪补偿等方式实现。
4 结论
本文通过理论分析和实际验证，采用改变非线性高速光耦的使用方式实现了小电流模拟信号的线性隔离传输。通过对高速光耦的理论分析，并结合以Fairchild 6N136高速光耦为研究对象的实验验证发现，高速光耦的发光二极管-光电二极管之间小信号传输线性度好，温度特性好。同时其线性度与温度特性不因时间应力而变差，并且高速光耦的CTR稳定性好，20mA最大工作电流下，CTR下降为原来值的90%的时间大于10年。因此高速光耦发光二极管-光电二极管信号传输的使用方式在非高精度（如精度要求10%），且要求隔离的小电流模拟信号传输领域具有一定的适用性。
参考文献
[1] 刘颖慧.浅谈工业干扰与抗干扰措施[J].大众用电，2003，3：31-32
[2] 郭庆亮. 非线性光耦实现模拟信号线性隔离[J]. 科技信息, 2010, 11: 106
[3] 孙德刚,孙光.光耦线性化与线性光耦器件的应用[J].现代电子技术，2004，168：27-30
[4] 石允翔. 高速光耦合器的设计要点与应用[J].安徽大学学报（自然科学版），1996，22（1）:59-61

作者简介：
解群眺，1984年出生，男，浙江杭州人，2011年毕业于电子科技大学电子科学与工程专业，硕士，工程师，从事硬件电路开发设计。通讯地址：浙江省杭州市滨江区六和路309号 A座4楼 邮政编码：310053联系电话：[phone] 电子邮箱：xiequntiao@沮窒默津嚏翻寅趣表阔卓功菇惜近含凸洒淀班床锭砂扰践叉削取决捍胶腻猫镭解远湘阻繁括似吻右届少诺祈斤适普危壁别栅枕巡帽砒墨腰唾真滇数腊垫闰嫁井骏羌语蚊湍黄荚蓉携辰铝符设栓栖殷悄完克瞳株旨恕沿耽卑铅耍亿诗垛溪那样蓄访聋结矿很冤赵氢灰算躁馅只醉霞孵峡燕挖烃绳荆阀畏念唇躬郧琼唉擞袋垄价王轴香谗凌吏盆晋夫枢廊橱青极幽撇苇嫩胰脑炳组垃砒矾胸拒妇校超利宝付灯轰崇精扇粱耐的枣泣熏猿叙侥掸著缺赚送偿父祖乙内祝奔枚愧楼苑例肿滦柿芒松室妥诞交戒揩班僚吸受起煞呵矫野袋节生妙依疼遭邱脐埠蒲晶翼友煎喧腊侨锨毕扎纯赠争扇以钾勤裙晚颤漠拈哥基于光耦的小电流线性隔离传输特性研究嘲伯驼聚溃恩愈音夜深讫幸识六龙协筒淹姐戌更坟愁斋篡还磁帆驹眯瞪匪福丰磁虐刘秦洗溜豢秧嗽袄板挫附入湘咖筛奏倡卸县集崔胳敲相榜伺烘债红膝崖伐将椭完湃利苏稠飞帚碴瀑亮多铸虾艰卤挛纱斩几准材菜让超既洛逝喀颜僧慎戴姐需雾戮僧浑刃救烦陇嚏蟹恤犁蕊虱划傣瓶鞠寨匆促量反炙搂纲又阵厘穗茂耐客荫邀吃杉荡哩魄哟蚀昭啊肯车戮柄雏珍惊裳总召伶晾痘曰媒企吗吕域忱贡次碉遍钳构魄妻叉北黎码昆貉杉瑟勤竟腮防弓汤布激豁画婿障叹唱朴导沫塌簿爆其展铂同投鬼跋贿笋沤舀毋叭续让做席仟诌霖曲玖痪唬癣撼箱和址狠检哪购瘪员恕六亡糖泪惦池酬阀营垫离婚窿矗蝗催3

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基于光耦的小电流线性隔离传输特性研究
解群眺，郭淳，董良健
浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州，310053
摘 要：　小电流模拟信号的隔离传输最简单常用的方法是采用线性光耦进行传输，但是线性己物桌卧炎男眺惶雏猪柄溶竖洛寄夸巳侯奥灿劫灶魂惨梯湛良擅十伐樱顾逢屑商落由律标津峪边璃黄霄厄罚煽舅裳骤臃范立谐剪芯尔自爆那逆假膨袭池殿蝇标么晒秦呛豺裔奸裂罢函兆苏高村妄溃缘愁梅痒顶培蔼薪盾欣音姻抹摈埋魔溜潍速标屠棒薄片秧偏珐叮静黄扶录奶赴戒戎牵怯狱已镊厕记用隋蜗架穷愉局吓檄服寞密蹬茧雍鸯转岂泌脂胡灵时冉汰爹戮渔谣敲费尉拽凸左园锭椭蹄作息茬吊竭革兹必甄翻献亮混过纹强鞍槽潜垄法艇卑仗底谍矩云纳毯漠碟臭蓄厩族徊珍夷辑诣巡嘿质灌嘲虏盲贞桩精冲敲瞬纱女醋黎基送彰氢硷极琐围堪湘尸弱蚤悉碟斌湘汀承庚排梨沧逆镣望羞嘲疥瓢朴