光耦型号（常闭光耦型号）

本文将经济型光耦在数据传输时的性能极限，并以光耦器件手册提供的数据为依据，找到合适的工作参数。通过深入研究，我们将聚焦于问题关键，理解光耦在串行通信中的实际表现，并尝试从根源上解决问题。

在我司的众多产品中，光耦电路的应用广泛。我们曾遇到这样的问题：在485电路中使用光耦隔离时，9600bps速率下的通信效果不尽人意。尽管几位工程师曾致力于解决这个问题，但当串行通信速率超过9600bps时，问题仍然存在。目前，串行通信速率上限普遍设为115200bps，仍在普通光耦的传输参数范围内。我们常用的速率仅为19200bps，这使得我们没有必要使用高速光耦。我认为这个问题值得重新研究，以深入理解其根本原因并找到有效的解决方法。

案例介绍：

我司常用的光耦电路如图1所示。本文将重点关注图1中的输入输出参数。目前，所有产品上选用的是EL2501K这个基础光耦。这款光耦具有可接受的基础参数、市场用量大、采购方便、价格便宜等优点，因此被广泛应用于大批量生产的产品中。它的基本参数如表1所示。

实验数据与结果：

在重新估算了光耦原端和副端配置电阻的参数后，我们进行了实验验证。实验结果表明，在相同的电路（如图1所示）和相同品牌型号批次的EL2501K光耦中，不同的电路参数会影响输出波形的质量。

图2至图4展示了相同的计算机串口输出数据源波形、目前在用电路上的光耦输出波形以及改变电路参数后的光耦输出波形的对比。通过对比不同速率的截图，我们可以发现黄.信号（目前在用电路）和蓝色信号（改变电路参数后）在高电平和低电平持续时间上的差异。蓝色信号的高电平持续时间相对较短，表明其传输速度更快。

图5展示了57600bps速率下的信号状态。黄.信号高电平稳定在约2.5V，蓝色信号高电平则在约3.6V左右徘徊。展开波形图，我们可以发现黄.信号的上升沿与下降沿时间分别为t黄=9.6μs和t黄=9μs，而蓝色信号的相应时间为t蓝=2.6μs和t蓝=4.7μs。当前电路存在大量误码，但改进后的电路表现优秀，无误码现象。

再看图6，这是速率达到115200bps时的截图。黄.信号高电平维持在约2.2V，低电平则降至约0.5V。蓝色信号的高电平为约3.3V，低电平则降至约0.3V。由于高电平未达到理想状态，上升沿的测量仅达到最高电平点。展开波形后，我们发现黄.信号的上升沿与下降沿分别为t黄=7.6μs和t黄=8.6μs，蓝色信号的相应时间为t蓝=2.8μs和t蓝=4.4μs。显然，当前电路在高速率下无法正常工作，存在明显的高低电平时间不平衡问题，导致误码频发。

从图2至图6的数据中，我们可以观察到光耦参数调整对信号的影响显著。调整原端参数后，高电平可以从约2.6V提升至3.6V以上。当速率飙升到115200bps时，现有电路彻底崩溃，而调整参数后的电路虽然能工作，但误码问题依旧存在。

深入研究光耦的工作原理，我们发现其内部包含了一个发光二极管和一个特殊的三极管。发光二极管类似于常规二极管，有一个电压阈值。当所加电压超过此阈值时，二极管便开始导通。但值得注意的是，当用作指示电路工作状态的人眼可见光时，所需的电流非常小，通常只有1~2mA。这种小电流在光耦内部发光器件中产生的光线较弱且缓慢，导致副端基极的光敏器件无法快速感应到足够的光通量，使得CE之间的电流增加缓慢。这就是我们看到上升沿时间较长的根本原因。随着传输速率的提高，这一问题愈发严重，因为基极还没有感应到足够的光通量时，原端的发光管已经熄灭。为了改善这一现象，我们需要增大原端的电流，即减小原端的限流电阻，使原端的发光管能够快速发光，从而让副端三极管基极迅速感应到足够的光通量。

设计依据与方法

关于光耦电路的设计，原端与副端的电流究竟应如何匹配，是否越大越好？我们又该如何从数据手册中获取关键信息以指导电路设计呢？让我们深入剖析表2以揭示其中的奥秘。

（表2）

表2中，VF代表光耦原端发光二极管的压降，其典型值为1.2V。但这一数值是在特定条件下测得的，即原端电流IF为10mA。在实际应用中，当IF值变化时，压降也会有所改变。具体数值需参考图9中的相关曲线来确定。

（图9）

当我们初步估算VF值时，可能会存在一些误差。这时，我们需要通过假定、估算、对比曲线图、修正假定等步骤来逐渐逼近真实值，直至误差控制在可接受的范围内。一旦这个值确定下来，原端的电流值也随之确定。

接下来是VCE的最大值，它在特定条件下为0.3V，条件是IF=10mA且副端电流IC=2mA。在其他条件下，其数值需参考图10中的数据曲线来确定。这张曲线图对于确定副端电流的大小至关重要。

（图10）

CTR是光耦的传输比，表2中给出的最小值为300%，最大值为600%。这里需要澄清一个常见的误解：这并不是CTR的数值范围，而是指CTR最大值的最小值和最大值范围。这是因为光耦生产工艺中，原端和副端之间的光敏器件对距离、角度等因素较为敏感，不同批次生产的产品在一致性上存在差异。在成品后需要进行测试和筛选，根据CTR最大值的大小范围进行分类。CTR参数实际上反映了光耦输出的电流放大能力。

（图11）展示了CTR与温度之间的关系。从图中可以观察到，在-40℃至+70℃的范围内，CTR的波动较大。特别是在-15℃至0℃范围内，CTR出现最大正向偏离；而在+70℃时，则出现最大负向偏离。这些变化需要通过图11进行计算和验证，以确定它们对电路设计的影响。

上升沿时间tr和下降沿时间tf是光耦电路中的关键参数，它们的典型值分别为3μs和5μs。在实际设计中，通过优化参数并挖掘性能极限，这些值可以低于数据表提供的典型值。图12展示了厂方提供的测试电路及测试规则。

（图12）

除了数据手册中明确表达的信息外，还需要关注其中隐含的暗示。通过仔细研究表2、图9、图10和图11，我们可以发现一些对设计至关重要的细节和提示。这些细节可能隐藏在数据的背后，需要我们仔细挖掘和理解。通过对这些信息的深入理解和应用，我们可以更好地设计光耦电路，实现所需的功能和性能。经过深入研究与分析，我们注意到在光耦的工作过程中，其测试条件大多以IF（输入电流）等于10mA为主。这一现象不仅体现在表2中，更是通过图9至图11进行了详细的说明。在光耦的工作状态下，当IF接近或等于这个值时，它表现出最佳的工作性能和较大的冗余区间。特别是当IF等于5mA至10mA时，光耦的性能曲线最为突出。这表明设计师们对此区域有着特别的关注，他们普遍认为此电流范围是实现最佳性能和满足功耗需求之间的平衡值。当我们对实验数据进行分析时，这一现象更是得到了印证。在实际的实验环境中，我们发现了不同的IF值对光耦性能的影响。当IF等于某些特定值时，如文中所述的案例，我们发现电路性能得到了明显的改善。随着IF值的增加或减少，这种改善逐渐变得不那么明显。特别是当IF超过一定的阈值时，尽管性能可能会有进一步的提升，但功耗的增加也是不容忽视的代价。当选择光耦的输入电流值时，我们必须根据实际应用场景和需求进行权衡。在追求性能和功耗平衡的我们还需要考虑光耦在不同温度下的表现。特别是在产品使用温度范围内，我们需要确保光耦的性能满足要求。通过实验验证，我们发现不同品牌和型号的光耦在相同输入条件下也会有不同的表现。但是经过参数调整，其输出波形和占空比都能达到最佳状态。在这个过程中，实验参数的选择至关重要。为了验证实验参数的有效性，我们将这些参数应用于实际设备并与实验板进行比较。结果显示，这些参数确实能够显著改善电路性能，提高高电平的电压值，延长高低电平持续时间，同时保持占空比的稳定。由于光耦参数的离散性，实际应用中可能存在一些差异。但这种差异并不影响波形的传输质量，只是会对高低电平产生一定影响。但这种影响完全在设计允许的误差范围内，因此是可以接受的。选择适当的光耦输入电流值是确保电路性能的关键步骤之一。只有在深入理解光耦的工作特性和实际需求的基础上，我们才能做出最佳的选择。通过深入研究和细致对比，本研究给出的光耦参数建议展现了其实效性和实用性。在研究过程中，我们收获了一系列宝贵的经验教训。

初期，我们专注于高电平及占空比的研究，通过对9600bps和19200bps速率的输入输出波形进行考察，认为其表现可接。随着速率的提升，我们逐渐意识到上升沿和下降沿的延时是限制速率提升的关键。对此，我们认真研读了光耦的数据手册，解决了边沿问题，并纠正了对CTR的误解。

在实践中，我们了解到选择同型号不同后缀的光耦时，只需关注CTR的最小值。光耦生产过程中的离散性使得我们在筛选时将其分为多个档次。使用相应档次后缀的光耦只要满足最小值即可，这一做法主要基于商业利益的考量。我们强调了CTR温度特性的重要性，特别是高温特性，这是我们之前忽略的一个关键方面。

对光耦EL2501K的深入研究让我们意识到，必须仔细研读原厂数据，找到其最佳工作条件，并结合自身电路进行验证。鉴于光耦电路接法的多样性，我们仅推荐产品中常用的电路接法，并给出了具体的参数配置。例如，当输入端电源为+3.3V，输出端电源为+5V，输入端提供足够的低电平驱动时，我们采用了原端反向接法、副端正向接法。基于功耗限制，我们选择了次优的IF值及限流电阻的取值。此配置能满足至少19200bps速率的通信，且有更高速率的裕量。

我们的研究不仅限于上述电路接法，还拓展了原端反向接法、副端也是反向接法的电路（整体效果是同向）。对此类电路，我们给出了具体的参数配置，并讨论了其在实际应用中的表现。我们发现，在某些特定条件下，如低电平无法被后级电路识别等问题。对此，我们需要进一步优化电路设计和参数配置，以满足更高速率和更严格的性能要求。

本研究为光耦的应用提供了宝贵的经验和参考。我们的研究不仅适用于特定的通信速率和场景，还可为其他场合如脉冲采集等提供有益的参考。在成本允许的情况下，通过增加简单的整形电路和调整IF值等方法，我们可以进一步优化光耦的性能，改善输出波形，为相关领域的研究和应用提供有益的启示。深入光耦在电路中的表现：低电平问题与解决方案

从图中我们可以看到（如图16、图17、图18所示），在低电平情况下，电路中的某些参数如IF和IC的值会导致工作点靠近放大区。随着IC的增大，VCE值急剧增大，使得副端输出的低电平无法降低至预期水平。这个问题无法通过简单的外加电路整形调整来解决。我们必须采取减小IF的方法，牺牲一部分上升沿和下降沿的时间、速率，以确保最基本的低电平需求得到满足。

这一现象与之前的研究结论相互印证。我们之前也注意到了高电平无法达到5V的情况。虽然电路整体效果是反向的，表现为高电平的跌落，但实际上，对于高电平的跌落，我们的容忍度比低电平不低时要高得多。毕竟，二极管和三极管的开启门限都在0.7V左右，只要高电平大于1V，就能通过二极管和三极管轻松地进行整形修正。低电平不低会导致二极管和三极管无法正常关闭，使得简单的电路修正变得困难。

针对光耦的特性，我们给出以下结论：鉴于光耦需要较大的驱动电流，我们推荐低电平驱动的光耦电路。当速率要求不高时，可以采用副端正向接法或反向接法，其速率限制在9600bps。详细的参数研究和图形可见图15。当要求更高的速率如19200bps及以上的115200bps时，建议适当增加成本。光耦主要负责信号的传输占空比、边沿陡峭以及低电平的有效性，而后级的整形电路则负责调整高电平匹配和波形的修正。

本研究旨在光耦在电路中的数传特性，如何在保证性能的避免增加额外的成本。对于使用其他型号的光耦，需要重新计算相应的参数，并通过实验进行验证。

在研究过程中和撰写本文时，虽然本人已经尽力确保内容的准确性和完整性，但由于水平和时间的限制，难免存在错误和不足之处。在此，恳请各位专家、读者不吝赐教和指正。在此感谢亿光电子提供的EL2501-G Series datasheet rev3参考文献。

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