TH300-OP 光耦光電特性測試解決方案

一．認(rèn)識光耦

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

光耦以光為媒介傳輸電信號，使前端輸入信號與負(fù)載端輸出電信號隔離，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、測量儀器、影印機(jī)、自動售票、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、光接收及信號放大。

輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED）發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(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)及測量方法

以華潤微的PC817為例，由其規(guī)格表來看。

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

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。常見的小功率LED通常以I_F=20mA來測試正向工作電壓，當(dāng)然不同的LED，測試條件和測試結(jié)果也會不一樣。

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

b) 測量方法

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

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LED的反向電流。

b） 測量方法

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

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)測試通過的電流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)光二極管開路，集電極至發(fā)射極間的電壓為規(guī)定值時(shí)，流過集電極的電流。

b） 測量方法

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)光二極管沒有電流流過時(shí)，集電極-發(fā)射極所能承受的電壓。

b）測量方法

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電壓表測量兩端電壓即BV_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)光二極管沒有電流流過時(shí)，發(fā)射極-集電極所能承受的電壓。

b） 測量方法

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電壓表測量兩端電壓即BV_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得的初始阻抗值。

b）測量方法

TH2683A絕緣電阻測試儀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，啟動測試，讀取儀器測量結(jié)果即為Riso，

50GΩ≤Riso≤100GΩ即為合格。

4） 浮動電容Cf（Floating Capacitance）

a）定義

當(dāng)高頻信號加到光耦輸入和輸出端之間測量到的電容。

b） 測量方法

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

TH2838A設(shè)置頻率1MHz，做好開路清零（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。通過測量光耦的響應(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，對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠材艿玫匠浞譂M足。

b） 測量方法

如圖所示，光耦輸入端接入信號源，信號源設(shè)置頻率為80kHz，信號源輸出端在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） 測量方法

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

三．光耦光電參數(shù)測試痛點(diǎn)

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

1. 測試效率低下

多臺儀器、高低信號、交直流信號各種方法測試，如果用分立儀器去測試，不同項(xiàng)目需要不斷的切換信號及接線，因此單顆測試都需很長時(shí)間，無法大批量規(guī)模測試。

2. 接線繁瑣

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

3. 測試結(jié)果不能自動保存

多臺機(jī)器測試的結(jié)果是，每個(gè)測試數(shù)據(jù)都得手工記錄，再統(tǒng)一匯總并錄入數(shù)據(jù)庫，過程較長，且無法保證準(zhǔn)確性。

四．同惠光耦光電參數(shù)測試解決方案

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

測試系統(tǒng)自動化設(shè)置及測試，所有測試結(jié)果自動記錄至數(shù)據(jù)庫。測試軟件提供對應(yīng)接口協(xié)議，便于接入客戶自動化生產(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)，為提高測試效率，用PLC控制8×8的測試治具，一次可測試64顆光耦以提高效率。

2. 測試治具

3. 上位機(jī)軟件

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

測試頁面

數(shù)據(jù)編輯頁面

數(shù)據(jù)記錄頁面

權(quán)限設(shè)置頁面