CN111865296B - 一种超高压光电耦合器和数字信号系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超高压光电耦合器和数字信号系统，涉及光电学元件技术领域。所述超高压光电耦合器包括发射端、可见光纤、接收端以及光电流调理电路，所述发射端用于将输入的电信号转换为光信号，所述可见光纤作为传输介质，用于传输所述发射器发射的光信号，所述可见光纤的一端与所述发射端连接；所述接收端用于接收所述可见光纤传输的光信号，所述可见光纤的另一端与所述接收端连接；所述光电流调理电路用于对所述接收端接收到的信号进行修正。这样，通过所述发射端、所述可见光纤、所述接收端以及所述光电流调理电路的配合，以实现10KV耐压的超高压光电耦合器。

Description

一种超高压光电耦合器和数字信号系统

技术领域

本发明涉及光电学元件技术领域，具体而言，涉及一种超高压光电耦合器和数字信号系统。

背景技术

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电－光－电转换器件，其由发光器和受光器两部分组成，把发光器和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透光绝缘体填充隔离。将电信号通过发光元件转换为光信号，再通过受光元件接收光信号转换为电信号。

常规的光电耦合器的做法是采用红外光谱和空气腔实现，并封装在芯片内部，但是红外光谱在空气腔里面的损耗非常大，另外空气腔的空间也是有限的，目前的光电耦合器的耐压现在最高也就只能做到六七千伏，对于超过10KV的隔离应用场合光电耦合器的绝缘性能无法满足。

发明内容

本发明解决的问题是现有的光电耦合器对于超过10KV的耐压无法满足。

为解决上述问题，本发明提供一种超高压光电耦合器，包括：

发射端，用于将输入的电信号转换为光信号；

可见光纤，作为传输介质，用于传输所述发射端发射的光信号，所述可见光纤的一端与所述发射端连接；

接收端，用于接收所述可见光纤传输的光信号，所述可见光纤的另一端与所述接收端连接；以及

光电流调理电路，用于对所述接收端接收到的信号进行修正。

本申请相对于常规的光电耦合器的设置新增了可见光纤和光电流调理电路，由于可见光纤具有优良的超高耐压特性，通过设置可见光纤作为传播光的介质进行隔离传输，通过调整光纤的长度以控制发射端和接收端的耐电压特性，接着通过光电流电路的修正，从而使得接收端的接收效果最好，从而实现光电耦合器的发射端和接收端之间的耐压可超过10KV。

可选地，所述发射端输出光信号的波段是红光波段。

可选地，所述接收端包括光敏二极管，所述光敏二极管的波段与所述发射端输出的光信号的波段匹配。

可选地，所述光电流调理电路包括：

输入偏置模块，用于产生漏电流；

放大模块，用于将所述输入偏置模块产生的漏电流放大；以及

输出偏置模块，用于将所述漏电流转换为电压信号，以输出数字信号。

可选地，所述输入偏置模块包括第一偏置电阻，所述第一偏置电阻的一端与所述光敏二极管的正极连接，所述第一偏置电阻的另一端接地；

所述放大模块包括晶体管，所述晶体管的基极与所述第一偏置电阻的一端连接，所述晶体管的基极与所述光敏二极管的正极连接，所述晶体管的发射极接地；

所述输出偏置模块包括第二偏置电阻，所述第二偏置电阻的一端与所述光敏二极管的负极连接，所述第二偏置电阻的另一端与所述光敏二极管的集电极连接。

可选地，所述光电流调理电路包括还超前补偿电容，用于将所述晶体管的集电极的相位超前，所述超前补偿电容的一端与所述光敏二极管的负极相连，另一端与所述晶体管的集电极相连。

可选地，所述光电流调理电路还包括退耦电容，用于降低电源电压的波动对所述漏电流的干扰，所述退耦电容的一端与电源电压相连，另一端接地。

可选地，所述可见光纤的长度范围在8mm至24mm之间。

可选地，所述可见光纤的材料为铁氟龙材料。

作为本发明的另一实施例，本发明公开了一种数字信号系统，包括上述所述的超高压光电耦合器。

本发明的数字信号系统与超高压光电耦合器，对于现有技术所具有的有益效果相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例一种超高压光电耦合器的结构示意图；

图2为本发明实施例光电流调理电路的结构示意图；

图3为本发明实施例光电流调理电路的示意图。

附图标记说明：

1-发射端；2-可见光纤；3-接收端；4-光电流调理电路；5-密封外壳；6-输入偏置模块；7-放大模块；8-输出偏置模块；D2-光敏二极管；R1-第一偏置电阻；R2-第二偏置电阻；Q1-晶体管；C1-超前补偿电容；C2-退耦电容；VCC-电源电压；OUT-信号输出端；GND-接地端。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述根据本发明的实施例，描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的要素。要说明的是，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表本发明的所有实施方式。它们仅是与如权利要求书中所详述的例子，本发明的范围并不局限于此。在不矛盾的前提下，本发明各个实施例中的特征可以相互组合。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

常规的光电耦合器的做法采用红外光谱和空气腔，并封装在芯片内部实现光电耦合器的方案来说，常规的光电耦合器可以提高光电传输比，提高信号传输的速度和驱动能力。但是常规的光电耦合器的红外光谱在空气腔里面的损耗是非常大的，若为了让红外光谱的损耗比较小，将空气腔的距离设置得比较短，虽然这个信号用光电接收管能检测到信号，但是已经检测不出来电压跳变的一个变化量，就达不到触发后级电路的要求；若为了使光电耦合器的耐压较高，将空气腔的距离设置得较长，由于与红外光谱的距离也不能无限制的拉大，也是有一定限制的，所以目前的光电耦合器的耐压现在最高也就只能做到六七千伏，而且价格也都很贵，工艺上实现较难，那对于超过10KV的隔离应用场合光电耦合器的绝缘性能更无法满足。

图1为本发明实施例一种超高压光电耦合器的结构示意图，如图1所示，本申请公开了一种超高压光电耦合器，包括发射端1、可见光纤2、接收端3和光电流调理电路4，其中，所述发射端1用于将输入的电信号转换为光信号，所述可见光纤2作为传输介质，用于传输所述发射端1发射的光信号，所述可见光纤2的一端与所述发射端1连接；所述接收端3用于接收所述可见光纤2传输的光信号，所述可见光纤2的另一端与所述接收端3连接，所述光电流调理电路4，用于对所述接收端3接收到的信号进行修正。

本申请相对于常规的光电耦合器的设置新增了可见光纤2和光电流调理电路4，由于可见光纤2具有优良的超高耐压特性，通过设置可见光纤2作为传播光的介质进行隔离传输，通过调整光纤的长度以控制发射端和接收端3的耐电压特性，接着通过光电流电路的修正，从而使得接收端3的接收效果最好，从而实现光电耦合器的发射端和接收端3之间的耐压可超过10KV。即输入端与输出端之间是通过可见光纤2进行隔离的，得到的隔离电压是至少10KV。另外，由于可见光纤2是常见材料，制作成本低，材料可选择性强，便于生产调试，而且还可以弯曲成任意形状，制作工艺简单。本发明的实现超过10KV耐压的超高压光电耦合器，对于低压控制高压电路、高压直流传输、高隔离通信、高共模系统通信等场合具有很好的用处，而且本发明工艺简单，提高了安全性能。

本发明的可见光纤2和普通光纤在原理上大部分是相类似的，可见光纤2和普通光纤的不同在于：可见光纤2对信号的要求更随意一些，主要用于低速信号，而普通的光纤分单模光纤和多模光纤，它使用的光是经过调制的，光的频率很高。而可见光纤2的光可以调整成任意的频率，可以低，也可以高。可见光纤2的最高速率比普通的光纤的速率要高，由于可见光纤2的直径比普通光纤要大很多，普通光纤大概就是几个头发丝那么小。在工艺上由于可见光纤2和普通光纤的直径不同，普通光纤在焊接时，需要有专门的现代显微镜的工具去焊接，而可见光纤2，由于直径比较大在工艺上安装比较简单，就不需要专门的显微镜工具去观察焊接。另外，可见光纤2有着绝缘阻抗高，损耗小，延伸性等优良特性，用其制作的光电耦合器继承了种种特性。

对于发射端，具体地，所述发射端1输出光信号的波段是可见光对应的波段，对应的波长范围为380nm-780nm。更具体的，所述发射端1输出光信号的波段是红光波段，即发射端1为红色发射管，红光发射管对应的型号为1383-2SURD。由于红光波长，红光转换效率高，传输距离远，在可见光纤2中损耗最低，能够确保发出的光强度达标，得到的信号质量好。当然，使用其他波段的光也是可以的，虽然在使用其他波长的光时会使得驱动电流较大，但是只要能满足发出的光强度达标即可。

对于接收端3，具体地，所述接收端3包括光敏二极管，所述光敏二极管的具体型号为：SGPD5051R6，所述光敏二极管的波段与所述发射端1输出的光信号的波段匹配。由于发射端1转换输出发出某一颜色的光，接收器对对应颜色的光比较敏感，而对其他颜色的光不敏感，通过设置发射器和接收器的光的波长相匹配，则可以使得接收到的质量较好的信号。例如当发射管是红光发射管时，则接收管是红色光敏二极管，也称为红色接收管。由于红光接收管只对红光敏感，相对来说对其他的颜色不是很敏感，而且，由于红光的波长较长，在可见光纤2中损耗最低，红色接收管接收到的光的强度是最强的，得到的信号质量最好。

若波长的偏差比较小的情况，对于接收端3的光敏二极管的波段与发射端1的波段不匹配的情况下也是可以的。例如，红光的波长范围为622nm-770nm，橙色的波长范围为577nm-597nm，假设考虑制作工艺是没有偏差的情况下，如果发射端1是红光发射管，接收端3是橙色接收管，因为他们的波长偏差是在几十nm之间，一般几十nm偏差对性能的影响不大，而一旦超过100nm对性能影响就比较大，所以接收端3的光敏二极管的波段与发射端1的波段不匹配的情况下也是可以的。当然，对于光的波长相匹配的发射端1和接收端3之间也有可能会有偏差，而这个偏差是发射端1和接收端3的器件的制作工艺导致的，一般偏差在几个nm，所以对信号的影响不是很大。

对于光电流调理电路4，所述光电流调理电路4对接收端3接收到的信号进行修正。所述光电流调理电路4使用光敏二极管的反向特性，当光敏二级管接收到光信号时，光敏二极管的反向漏电流会增加，漏电流与光的强度呈线性变化，漏电流会随着光的强度的增大而增大，调理电路给所述光敏二极管加一个反向偏压，从而产生漏电流，其次将漏电流转换成电压，并且把它放大。具体的，图2为本发明实施例光电流调理电路的结构示意图，如图2所示，所述光电流调理电路4包括输入偏置模块6、放大模块7和输出偏置模块8，输入偏置模块6用于产生漏电流，所述放大模块7用于将所述输入偏置模块6产生的漏电流放大，所述输出偏置模块8，用于将所述漏电流转换为电压信号，以输出数字信号。通过设置输入偏置模块6、放大模块7以及输出偏置模块8对所述光敏二极管接收到的信号进行修正，从而使得输出的信号是稳定的信号。

更具体地，图3为本发明实施例光电流调理电路的示意图，如图3所示，其中D2为光敏二极管，R1为第一偏置电阻，R2为第二偏置电阻，Q1为晶体管，C1为超前补偿电容，C2为退耦电容，VCC代表电源电压，OUT代表信号输出端，GND代表接地端。所述输入偏置模块6包括第一偏置电阻R1，所述第一偏置电阻R1的一端与所述光敏二极管D2的正极连接，所述第一偏置电阻R1的另一端接地。所述放大模块7包括晶体管Q1，所述晶体管Q1的基极与所述第一偏置电阻R1的一端连接，所述晶体管Q1的基极与所述光敏二极管D2的正极连接，所述晶体管Q1的发射极接地。所述输出偏置模块8包括第二偏置电阻R2，所述第二偏置电阻R2的一端与所述光敏二极管D2的负极连接，所述第二偏置电阻R2的另一端与所述光敏二极管D2的集电极连接。所述发光二极管的负极与电源电压连接，所述第一偏置电阻R1用于无光电流时为所述晶体管Q1提供确定的零状态输入，所述第二偏置电阻R2用于为所述晶体管Q1输出提供高压偏置。通过设置第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2分别是对于无光和有光的不同情况，对于无光电流输入时设置偏置电阻防止输出出现震动，对于有光电流时提供偏置电阻提供一个偏置电压，将电流转换为电压，最后输出数字信号。

为了提高数据的传输速率，设置一超前补偿电容C1，所述光电流调理电路4包括超前补偿电容C1，用于将所述晶体管Q1的集电极的相位超前，所述超前补偿电容C1的一端与所述光敏二极管D2的负极相连，另一端与所述晶体管Q1的集电极相连，在所述晶体管的集电极端也为信号输出端OUT。通过设置超前补偿电容C1，为了集电极的变化，让它的相位提前，从而可以提高数据的速率。

另外，为了抗干扰，所述光电流调理电路还包括退耦电容C2，用于降低电源电压的波动对所述漏电流的干扰，所述退耦电容C2的一端与电源电压相连，另一端接地。通过设置一退耦电容C2，可以防止电源电压的波动导致漏电流的一个变化，由于所述晶体管Q1是高频晶体管，放大倍数比较大，一般放大倍数的范围在60-200倍之间，即使很小的波动产生很小的一个漏电流，经过晶体管的放大也会变得很大，因此，通过设置退耦电容，可以减少干扰。

对于可见光纤2的长度设置一般设置在8mm-24mm，一般情况，所述可见光纤2是按照10KV/mm的间隔设置，光纤每mm有10kV的耐压，但在设计中一般留8-10倍余量，也就是8-10mm，增长电气特性会更好，但器件尺寸会变大，且可见光传输损失与距离正相关，接收部分的信号延时会增加，对于10kV的光耦，一般可以取8-12mm即可，而最佳的取10mm。而且所述可见光纤2间隔设置的长度为10KV/mm，安装工艺简单，结构形变小，器件一致性提高。10mm的长度能适应手动装配，也能适应机器装配，且长度短，有较强的应变，不易变形，使发射端1和接收端3能保持良好的接触，灌封时位置不易偏移，一致性提高。同样地，基于同样的道理，对于耐压为20KV的光电耦合器来说，可见光纤2的长度设置在16-24mm即可，而最佳的选择20mm。

更具体地，所述可见光纤2的材料为铁氟龙材料，通过可见光纤2的材料设置为铁氟龙材料，可以使得漏电流最小，从而使得经过可见光纤2的光的损耗最小。

所述光电耦合器的耐压实现10KV上是通过在输入端和输出端用耐压测试仪进行测试得到输入端和输出端之间能承受住的电压差是10KV以上，而对于数据传输速率能达到1Mbps，是在输入端输入1M的数据，经过输出端，用示波器测量这个数据能否传过来，经过试验验证，当输入的数据是1Mbps的数据是能传过来的。

所述超高压光电耦合器还包括密封外壳5，所述密封外壳5将所述发射端11、可见光纤2、接收端3以及光电流调理电路4进行绝缘填充密封，具体地，绝缘填充材料包括聚乙烯、聚四氟乙烯、FEP等，这样一方面可以保证漏电流不漏电，另一方面，保证了张力，使得张力适合，而不影响密封的部件。现有的封装用的是塑封，而它的内部器件是用模具去铸模做，但是一般不适合做高压器件。

作为本发明的另一实施例，公开了一种数字信号系统，包括上述所述的超高压光电耦合器。

本申请相对于常规的光电耦合器的设置新增了可见光纤2和光电流调理电路4，由于可见光纤2具有优良的超高耐压特性，通过设置可见光纤2作为传播光的介质进行隔离传输，通过调整光纤的长度以控制发射端1和接收端3的耐电压特性，接着通过光电流电路的修正，从而使得接收端3的接收效果最好，从而实现光电耦合器的发射端和接收端3之间的耐压可超过10KV。即输入端与输出端之间是通过可见光纤2进行隔离的，得到的隔离电压是至少10KV。另外，由于可见光纤2是常见材料，制作成本低，材料可选择性强，便于生产调试，而且还可以弯曲成任意形状，制作工艺简单。本发明的实现超过10KV耐压的超高压光电耦合器，对于低压控制高压电路、高压直流传输、高隔离通信、高共模系统通信等场合具有很好的用处，而且本发明工艺简单，提高了安全性能。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超高压光电耦合器，其特征在于，包括：

发射端（1），用于将输入的电信号转换为光信号；

可见光纤（2），作为传输介质，用于传输所述发射端（1）发射的光信号，所述可见光纤（2）的一端与所述发射端（1）连接；

接收端（3），用于接收所述可见光纤（2）传输的光信号，所述可见光纤（2）的另一端与所述接收端（3）连接；以及

光电流调理电路（4），用于对所述接收端（3）接收到的信号进行修正；

所述接收端（3）包括光敏二极管，所述光敏二极管的波段与所述发射端（1）输出的光信号的波段匹配；

所述光电流调理电路（4）包括：

输入偏置模块（6），用于产生漏电流；

放大模块（7），用于将所述输入偏置模块（6）产生的所述漏电流放大；以及

输出偏置模块（8），用于将所述漏电流转换为电压信号，以输出数字信号；

所述输入偏置模块（6）包括第一偏置电阻（R1），所述第一偏置电阻（R1）的一端与所述光敏二极管（D2）的正极连接，所述第一偏置电阻（R1）的另一端接地；

所述放大模块（7）包括晶体管（Q1），所述晶体管（Q1）的基极与所述第一偏置电阻（R1）的一端连接，所述晶体管（Q1）的基极与所述光敏二极管（D2）的正极连接，所述晶体管（Q1）的发射极接地；

所述输出偏置模块（8）包括第二偏置电阻（R2），所述第二偏置电阻（R2）的一端与所述光敏二极管（D2）的负极连接，所述第二偏置电阻（R2）的另一端与所述光敏二极管（D2）的集电极连接。

2.根据权利要求1所述的超高压光电耦合器，其特征在于，所述发射端（1）输出光信号的波段是红光波段。

3.根据权利要求1所述的超高压光电耦合器，其特征在于，所述光电流调理电路（4）还包括超前补偿电容（C1），用于将所述晶体管（Q1）的集电极的相位超前，所述超前补偿电容（C1）的一端与所述光敏二极管（D2）的负极相连，另一端与所述晶体管（Q1）的集电极相连。

4.根据权利要求3所述的超高压光电耦合器，其特征在于，所述光电流调理电路（4）还包括退耦电容（C2），用于降低电源电压的波动对所述漏电流的干扰，所述退耦电容（C2）的一端与电源电压相连，另一端接地。

5.根据权利要求1所述的超高压光电耦合器，其特征在于，所述可见光纤（2）的长度范围在8mm至24mm之间。

6.根据权利要求1所述的超高压光电耦合器，其特征在于，所述可见光纤（2）的材料为铁氟龙材料。

7.一种数字信号系统，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的超高压光电耦合器。