用于隔离PWM的光耦合器选择和使用

光耦合器（或光隔离器）是一种将电路电隔离的器件，不仅在隔离方面非常出色，而且允许您连接到具有不同接地层或在不同电压电平下工作的电路。光耦合器具有“故障安全”功能，因为如果受到高于最大额定值的电压，它们会以开路形式断开。光耦合器通过获取输入端接收到的信号，并使用光将信号传输到输出端来实现这种隔离。

光耦合器使用红外发光二极管（LED）将其输入端的信号转换为红外光束。红外光束穿过光耦合器封装内的间隙到达光敏器件（例如光电二极管、光电晶体管等），光再次变回信号，并将其作为输出从光耦合器发送出去。光耦合器内部有一个气隙或中空玻璃，供光束穿过，因此光耦合器的输入侧和输出侧之间不存在电气连接。常用的光耦合器4N25，如图1所示。.

 

图1. 4N25是一个很好的基本例子，但正式过时了。尽管如此，原始零件编号的许多变体都是可用的。

光耦合器在光耦合器的输入端和输出端的电路之间提供完全的电气隔离。光耦合器的输出镜像输入，连接光耦合器就像操作LED，可能需要使用限流电阻（查看光耦合器数据手册）。虽然光耦合器受其工作频率的限制（这主要取决于内部感光器的类型），但光耦合器提供过压、高压瞬变保护，并可用于消除光耦合器工作范围之外的噪声。

似乎光耦合器最适合在数字环境中使用，但是，可以使用光耦合器来隔离脉宽调制（PWM）信号。然而，光耦合器的速度是关键;PWM的最小脉冲宽度必须长于光耦合器的开关速度。但是，如何从光耦合器数据手册中梳理这些信息呢？

简而言之，PWM的频率（F脉宽调制） （Hz） 与光耦合器必须达到的最大步进数有关。最好先进行一些计算，在纸上试验各种可能性，这比猜测和购买光耦合器以查看它们是否有效更有效。

如果您知道PWM的频率（F脉宽调制） 和上升时间 （tR） 和下降时间 （tF） 的光耦合器：F脉宽调制= 2/n（tR+吨F），其中n是光耦合器可以容纳的离散步进数。求解 n：

n=2/[F脉宽调制（吨R+吨F)]

根据光耦合器数据手册中给定的上升和下降时间，您可以获得光耦合器应该能够适应的步骤数。

示例 1：4N25

4N25 列表仅在 2μs 和 10 μs（最大值）时开启和关闭时间。求解n时，您会发现在2kHz的PWM频率下，4N25光耦合器最多可以看到83个步进。除非您愿意从PWM降低到低得多的频率，否则4N25光耦合器能够解析的步数将很差。但是，4 位 PWM 产生 16 步 （24= 16），由于 4N25 最多可以达到 83 步，因此这些参数可以一起工作。但是，如果您想以更高的频率或分辨率工作，高速光耦合器会更好。

示例 2：FOD8012A

让我们看一个成本更高的光耦合器，如FOD8012A，它有一个R和 tF组合 13ns，具有相同的 2kHz PWM。求解 n 给了我们 7，692 步。因此，该光耦合器可以从工作在7kHz的PWM中分辨692，2步。如果您有一个 10 位 PWM，它有 1024 步 （210=1024），这种高速光耦合器将具有过分的杀伤力，因为光耦合器在7kHz的PWM频率下可以处理超过000，2个步进。

关键是，下一步是找到一个成本较低的光耦合器并重新计算，直到找到一个成本最低的光耦合器，并且在特定频率下仍然远高于PWM分辨率。（我一直觉得“价格”是一个“规格”，但制造商不喜欢这样想。或者，您可以看到，如果将PWM频率提高到20kHz，则可以从FOD769A获得8012步。经过几次迭代的计算后，您开始了解可能有效的方法。

请记住，光耦合器在许多方面差异很大，包括不同制造商的器件特性。以上是关于在电路中测试光耦合器之前如何缩小选择范围的缩略图。

应用

光耦合器用于电源稳压器，作为微处理器和其他敏感器件输入的保护，以及更多应用。光耦合器还集成到其他器件中，如开关和继电器（并作为隔离开关和隔离继电器销售），用于计量、仪器仪表、工业控制和测试设备。

 

图2.VOR2142 是一款光隔离固态继电器，峰值负载电压为 400 V。光耦合器封装看起来像一个典型的集成芯片（左）