光耦电路故障诊断及工作特性深入分析

前言

光耦（光电耦合器）在当前的电路设计中是很常用的元器件，基本上大部分的项目中都会有所用到，主要用于电平转换用、信号隔离、提高电磁抗扰度等等。因为光耦的工作原理比较简单，所以一般很少有人会对光耦的工作特性进入深入研究，除非是实际使用中出现了问题，才会去细看光耦的datasheet。

调试时发现问题及故障诊断

以前的项目设计中也经常用到光耦，但是一直也没有出现过什么特别的问题，因此也并没有对光耦的工作特性进行深入的了解。但是最近就出现了一个问题，让人有点摸不着头脑：其中一台设备在一个地方用的好好的，换一个地方用就工作不正常了。

开始，我们怀疑是不是：交流市电输入电压不稳或电压偏低超出工作范围导致、是不是现场电磁干扰太强导致的、或者是板子上的元器件坏了或者虚焊了、工作环境温度等等。最终经过多方调试，排除各个因素，最终发现是因为环境温度问题导致光耦电路工作不正常，进而影响设备运行。结果有点出乎我的意外，所以我觉得非常有必要对光耦的工作特性进行深入的了解。

光耦简述

光耦合器（opticalcoupler equipment，英文缩写为OCEP），亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。光耦是以光为媒介来转换电信号的器件，主要由发光器和受光器（光敏半导体管）组成，由输入端驱动发光器发光，受光器接受光线之后改变自身的阻抗，若受光器两端有电压，则会改变电流大小，从而实现“电—光—电”转换。

光耦合器属于电流型驱动的单向信号传输器件，输入端与输出端完全实现电气隔离，抗干扰能力强，传输效率高，广泛应用于电平转换、信号隔离、开关电路、仪器仪表、通信设备等中。

工作特性分析

光耦的驱动电流

一般在没有特殊用途的时候，设计人员只会关心光耦以下这几个参数：驱动电流IF、电流传输比（Current Transfer Ratio）等。

光耦应用电路

设备中故障点光耦的使用目的是想实现40kHz频率电平信号的电气隔离，input和VCC电压均约为3.3V，RD为470Ω，RL为1kΩ。在正常室温条件下，发光二级管电流IF约为4mA，而光耦的CTR约为100%，因此output输出的电平信号幅值可以满足设计要求。

光耦的温漂和频率响应

但是，为什么正常室温下使用没什么问题的光耦电路，在环境温度较高的情况下就会出现工作不正常的问题呢？那是因为光耦datasheet中给出的部分参考数据都是基于室温25℃的条件下【ELECTRICAL CHARACTERISTICS (TA = 25°C unless otherwise specified)】。因此，当环境问题不再是25℃时，或者信号频率不再是低频信号时，就需要参考datasheet中的其他数据了。


↑上图↑是室温情况下的output电平信号实测图。

↑上图↑是高温情况下的output电平信号实测图。

• 从上面的三张图中可以看出，随着温度的升高，电流传输比CTR下降幅度还是比较明显的，导致output的输出低电平信号从0.3V（室温），上升到1.1V左右（高温），对于1.1V的低电平信号，CPU已经无法识别了，进而肯定会影响设备的运行，因此在设计的过程中要考虑温度这个因素。
  
• 从↑上图↑可以看出，光耦的频率响应对于不同的负载电阻RL来说是不一样的，因此在信号频率比较高的时候，同时环境问题又比较高的情况下，对光耦的电路设计要求会更高。可能平时挺好用的电路，实际上并不是万能的。

改进措施

将负载电阻RL减少为470Ω，再次查看output的输出电平，实测高温时低电平的幅值约为0.6V，可以满足设计要求。该光耦应用电路后续还有改进空间，等待继续研究。
↑上图↑是室温情况下的output电平信号实测图。

↑上图↑是高温情况下的output电平信号实测图。