TH300-OP 光耦光電特性測(cè)試解決方案

一．認(rèn)識(shí)光耦

光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器,簡(jiǎn)稱光耦

光耦以光為媒介傳輸電信號(hào)，使前端輸入信號(hào)與負(fù)載端輸出電信號(hào)隔離，達(dá)到目的在于增加安全性，減小電路干擾，減化電路設(shè)計(jì)的目的。

因此，在各種電路如電腦終端、可控硅系統(tǒng)設(shè)備、測(cè)量?jī)x器、影印機(jī)、自動(dòng)售票、家用電器如風(fēng)扇，加熱器等得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途的光電器件之一。

光耦一般由三部分組成：光發(fā)射、光接收及信號(hào)放大。

輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。從而完成了電→光→電的轉(zhuǎn)換，起到輸入、輸出、隔離的作用。

由于光耦輸入輸出間互相隔離、電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因此具有良好的電絕緣能力和抗力。

同時(shí)于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。

二．光耦光電參數(shù)及測(cè)量方法

以華潤(rùn)微的PC817為例，由其規(guī)格表來(lái)看。

其光電參數(shù)主要分三個(gè)部分，具體參數(shù)及測(cè)量方法如下：

1. 輸入特性參數(shù)

光耦的輸入特性實(shí)際就是其內(nèi)部發(fā)光二極管的特性，常見(jiàn)的參數(shù)有：

1）正向工作電壓V_F（Forward Voltage）

a) 定義

給定的工作電流下，LED本身的壓降。常見(jiàn)的小功率LED通常以I_F=20mA來(lái)測(cè)試正向工作電壓，當(dāng)然不同的LED，測(cè)試條件和測(cè)試結(jié)果也會(huì)不一樣。

I_F（正向工作電流 Forward Current）：LED正常發(fā)光時(shí)所流過(guò)的正向電流值。

b) 測(cè)量方法

按上圖將TH1992源表CH1輸入與和光耦輸入端LED相連，為保證測(cè)試精度，采用了四線測(cè)量。

根據(jù)輸入特性參數(shù)規(guī)格表中的要求，CH1輸出正向20mA電流，同時(shí)測(cè)試兩端電壓V_F，

當(dāng)1.4V≤V_F≤1.4V表示合格。

2）反向電流I_R（Reverse Current）

a） 定義

在反向電壓情況下，流過(guò)LED的反向電流。

b） 測(cè)量方法

按上圖將TH1992源表CH1輸入與和光耦輸入端LED相連，為保證測(cè)試精度，采用了四線測(cè)量。

根據(jù)輸入特性參數(shù)規(guī)格表中的要求，CH1輸出反向4V電壓，同時(shí)測(cè)試通過(guò)的電流I_R，

當(dāng)I_R＜10μA表示合格。

3） 終端電容C_t（Terminal capacitance）

a） 定義

輸入端、輸出端兩端之間的寄生電容

b） 測(cè)量方法

用LCR分別接入輸入端和輸出端，設(shè)置頻率為1MHz，分別測(cè)得輸入端和輸出端的終端電容C_t，

當(dāng)30pF≤Ct≤250pF時(shí)表示合格。

2. 輸出特性參數(shù)

光耦的輸出特性實(shí)際也就是其部光敏三極管的特性，與普通的三極管類似。常見(jiàn)的參數(shù)有：

1） 集電極暗電流I_CEO（Collector Current）

a） 定義

輸入端發(fā)光二極管開(kāi)路，集電極至發(fā)射極間的電壓為規(guī)定值時(shí)，流過(guò)集電極的電流。

b） 測(cè)量方法

如圖，將TH1992源表CH1接入光耦輸入端，CH2接入光耦輸出端，設(shè)置CH2為電壓輸出20V，即V_CE=20V，用CH2電流表測(cè)量電流即CE之間電流I_CEO，

當(dāng)I_CEO＜100nA為合格。

2） 集電極-發(fā)射極擊穿電壓BV_CEO（Collector-Emitter Output Breakdown Voltage）

a）定義

輸入端發(fā)光二極管沒(méi)有電流流過(guò)時(shí)，集電極-發(fā)射極所能承受的電壓。

b）測(cè)量方法

TH1992源表CH1接入光耦輸入端，CH2接入光耦輸出端，設(shè)置CH2為電流源輸出0.1mA電流，同時(shí)用CH2電壓表測(cè)量?jī)啥穗妷杭碆V_CEO，

BV_CEO≥70V為合格。

3） 發(fā)射極-集電極擊穿電壓BV_ECO（Emitter-Collector Breakdown Voltage）

a）定義

輸入端發(fā)光二極管沒(méi)有電流流過(guò)時(shí)，發(fā)射極-集電極所能承受的電壓。

b） 測(cè)量方法

TH1992源表CH1接入光耦輸入端，CH2接入光耦輸出端，設(shè)置CH2為電流源輸出10μA電流，同時(shí)用CH2電壓表測(cè)量?jī)啥穗妷杭碆V_ECO，

BV_ECO≥6V為合格。

3. 傳輸特性參數(shù)

1） 電流傳輸比CTR（Current Transfer Radio）

a） 定義

輸出管的工作電壓為規(guī)定值時(shí)，輸出電流和發(fā)光二極管正向電流之比為電流傳輸比CTR，

b） 測(cè)量方法

TH1992源表CH1接入光耦輸入端，設(shè)置CH1為電流源模式，輸出電流為5mA，即I_F=5mA；

CH2接入光耦輸出端，設(shè)置CH2為電壓源輸出5V電壓，即V_CE=5V，同時(shí)用CH2電流表測(cè)量電流即I_C，

根據(jù)公式計(jì)算出，50≤STR≤600為合格。

2） 集電極-發(fā)射極飽和電壓V_{CE sat}（Collector-Emitter Saturation Voltage）

a）定義

發(fā)光二極管工作電流I_F和集電極電流I_C為規(guī)定值時(shí)，并保持I_C/I_F≤CTRmin時(shí)（CTRmin在被測(cè)管技術(shù)條件中規(guī)定）集電極與發(fā)射極之間的電壓降。

b）測(cè)量方法

TH1992源表CH1接入光耦輸入端，設(shè)置CH1為電流源模式，輸出電流為20mA，即I_F=20mA；

CH2接入光耦輸出端，設(shè)置CH2為電流源輸出1mA即I_F=1mA，同時(shí)用CH2電壓表測(cè)量電壓即V_CE，

0.1≤V_CE≤0.2即為合格。

3） 隔離電阻Riso（Isolation Resistance）

a）定義

光耦輸入端和輸出端之間的絕緣電阻值。在光耦的輸入和輸出端之間施加一定的高直流電壓所測(cè)得的初始阻抗值。

b）測(cè)量方法

TH2683A絕緣電阻測(cè)試儀HV端（-極）接入光耦輸入端，光耦輸入端兩極短路

TH2683A絕緣電阻測(cè)試儀INPUT端（＋極）接入光耦輸出端，光耦輸出端兩極短路

TH2683A絕緣電阻測(cè)試儀設(shè)定電壓500V，充電時(shí)間5s，阻值下限50GΩ，阻值上限100GΩ，啟動(dòng)測(cè)試，讀取儀器測(cè)量結(jié)果即為Riso，

50GΩ≤Riso≤100GΩ即為合格。

4） 浮動(dòng)電容Cf（Floating Capacitance）

a）定義

當(dāng)高頻信號(hào)加到光耦輸入和輸出端之間測(cè)量到的電容。

b） 測(cè)量方法

光耦輸入端兩極短路、輸出端兩極短路，TH2838A測(cè)量端分別連接到光耦輸入輸出端，

TH2838A設(shè)置頻率1MHz，做好開(kāi)路清零（至少保證未接光耦時(shí)清零結(jié)果小數(shù)點(diǎn)后面有2-3個(gè)0），

讀取TH2838A測(cè)量值即為Cf，0.6pF≤Cf≤1pF即為合格。

5） 截止頻率F_C（Cut-off Frequency）

a）定義

截止頻率為光耦輸出的電壓隨輸入光功率變化的截止頻率。通過(guò)測(cè)量光耦的響應(yīng)時(shí)間，然后根據(jù)響應(yīng)時(shí)間計(jì)算得出。

截止頻率的大小取決于光敏二極管的響應(yīng)速度，截止頻率越高，表示光耦響應(yīng)速度越快，對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠材艿玫匠浞譂M足。

b） 測(cè)量方法

如圖所示，光耦輸入端接入信號(hào)源，信號(hào)源設(shè)置頻率為80kHz，信號(hào)源輸出端在E極接入一100Ω電阻R_L，TH1992兩端接入到光耦C極和電阻另一腳，

TH1992設(shè)置為電壓源模式，輸出5V電壓，示波器并接在電阻R_L兩端，讀取示波器測(cè)試電壓值。

6） 上升時(shí)間t_r（Rise Time）、下降時(shí)間t_f（Fall Time）

a） 定義

規(guī)定工作條件下，發(fā)光二極管輸入規(guī)定電流I_FP的脈沖波，輸出端管輸出相應(yīng)的脈沖波。

上升時(shí)間t_r：輸出脈沖前沿幅度的10%到90%，所需時(shí)間。

下降時(shí)間t_f：輸出脈沖后沿幅度的90%到10%，所需時(shí)間。

b） 測(cè)量方法

測(cè)量電路和截止頻率測(cè)試一致，信號(hào)源設(shè)置為脈沖模式，TH1992的CH2設(shè)置為2V，讀取示波器測(cè)試輸出波形后根據(jù)下圖所示測(cè)量出tr和tf

三．光耦光電參數(shù)測(cè)試痛點(diǎn)

由第二部分光耦光電參數(shù)極測(cè)量方法可見(jiàn)，光耦測(cè)量參數(shù)眾多，而且測(cè)量時(shí)需要用到雙通道源表、LCR數(shù)字電橋、絕緣電阻測(cè)試儀、示波器、信號(hào)源，其測(cè)試信號(hào) 有高壓直流信號(hào)、低壓直流信號(hào)、高頻交流信號(hào)等，因此測(cè)試會(huì)遇到下列痛點(diǎn)：

1. 測(cè)試效率低下

多臺(tái)儀器、高低信號(hào)、交直流信號(hào)各種方法測(cè)試，如果用分立儀器去測(cè)試，不同項(xiàng)目需要不斷的切換信號(hào)及接線，因此單顆測(cè)試都需很長(zhǎng)時(shí)間，無(wú)法大批量規(guī)模測(cè)試。

2. 接線繁瑣

多臺(tái)測(cè)試儀器，加上不同封裝的光耦器件，需要用到不同接頭的線纜，測(cè)試接裝困難。

3. 測(cè)試結(jié)果不能自動(dòng)保存

多臺(tái)機(jī)器測(cè)試的結(jié)果是，每個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)都得手工記錄，再統(tǒng)一匯總并錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，過(guò)程較長(zhǎng)，且無(wú)法保證準(zhǔn)確性。

四．同惠光耦光電參數(shù)測(cè)試解決方案

同惠電子提供了一體化測(cè)試解決方案，將所需測(cè)試儀器集中在一個(gè)機(jī)柜，并采用工控機(jī)作為控制系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)直接設(shè)置并讀取結(jié)果，針對(duì)不同封裝的光耦，提供定制化測(cè)試夾具。

測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)置及測(cè)試，所有測(cè)試結(jié)果自動(dòng)記錄至數(shù)據(jù)庫(kù)。測(cè)試軟件提供對(duì)應(yīng)接口協(xié)議，便于接入客戶自動(dòng)化生產(chǎn)線做系統(tǒng)集成。

1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)所有測(cè)試機(jī)器集成與機(jī)柜內(nèi)部，采用了工控機(jī)控制和設(shè)置具體參數(shù)，為提高測(cè)試效率，用PLC控制8×8的測(cè)試治具，一次可測(cè)試64顆光耦以提高效率。

2. 測(cè)試治具

3. 上位機(jī)軟件

測(cè)試軟件采用同惠測(cè)試系統(tǒng)通用框架，根據(jù)不同產(chǎn)品或不同需求會(huì)有相應(yīng)更改

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