光电耦合器用得太多,是时候总结一下了。仅以个人应用为出发点。
一、光耦分类
分两类:非线性光耦和线性光耦。
非线性光耦:适合于开关信号的传输(高低电平),不适合于传输模拟量。实际中常用。
线性光耦:以线性特性进行隔离控制。
二、光耦参数
查阅datasheet时的重点关注对象。
1.输入特性参数<=>前端发光二极管参数
(1) (正向工作电压Forward Voltage):正常工作时,二极管压降。
(2) (正向工作电流Forward Current):正常工作时,发光二极管电流。
2.输出特性参数<=>后端光敏三极管参数
(1) (集电极电流Collector Current):三极管集电极电流。
(2) (集电极-发射极电压 C-E Voltage):集电极-发射极两端电压。
(3) (C-E饱和电压 C-E Saturation Voltage):二极管工作电流和集电极电流 为规定值时,并保持 时( 在被测管技术条件中规定)集电极与发射极之间的压降。
3.传输特性<=>输入端与输出端关系(电流)
(1)电流传输比 CTR (Current Transfer Radio)
输出管的工作电压为规定值时,输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比 CTR 。在datasheet中该值有最小值。
三、常用电路设计
以非线性应用,即开关量控制应用为例。
1.常用电路原理图
图中, 电阻的位置可在三极管的C端或者E端。
在E端:如图示,表示 默认低电平,高电平为有效电平;
在C端: 在 后端或下端,表示 默认高电平,低电平为有效电平。
2.设计约束
通过查阅datasheet,确定上述重要参数后,设计输入输出端负载值的大小。
(1)
(2)光敏三极管工作于饱和区。
由上可推导公式:
式(1)
式(2)
两个式子中,除 外,其他为已知量或通过datasheet查阅到, 一般为0.4~0.7V,一般为1.2V, CTR 一般为50%~600%, 一般为4mA~20mA。
式(1)可推导出两电阻之间比值关系,式(2)可得电阻数量级范围。
注: 通常会有典型值、测试值和最大值,通常选用测试值和典型值。前端设计时,注意防止误导通。
四、 CTR 的影响因素
一般,datasheet中会指出CTR的最小值及范围等,如果未指出,则需要查阅datasheet中的相关曲线图表。一般有以下影响因素:
1.光耦本身离散性;
2.温度影响:工作温度越高,CTR值越小;
3.原边电流IF影响:前向电流越大,CTR值越小;
4.Vce的影响:Vce必须大于一定电压(饱和电压刚刚好),Ic才能达到最大,CTR值才会大;
5.寿命影响:工作时间越长,CTR值越小。
五、工作在饱和区理解
以三极管输出特性曲线讲解:
从图中看出,当前端电流 确定下来的时候,后端输出电流 是具有最大值的(平行于横轴)。通俗点来理解:当前端电流固定时,传送给后端电流的能力是有限的,这个能力的学术名称就是CTR(电流传输比),CTR大就表示传输能力强,能驱动得起后端。
假设后端想要更大电流,但是光耦给不起了,在电阻RL一定的情况下,后端只能增大Vce的值,使实际的输出电流Ic维持在其能够提供的最大值。从图中来看就是,给我的就只有这么大,我自己也只有这么大的能力,你想要更多,对不起我给不起,反正进入线性区之后,最大就这么大了, 倒是想要多大就能变多大,我就通过改变 来维持住我 的最大值呗!
总之,你想要大电流,要么增大,要么换CTR大的光耦,或者按照设计约束重新设计两端电阻。你这个设计本身就不合理。
六、举例分析
例如图1中的光耦电路,假设 Ri = 1k,Ro = 1k,光耦CTR= 50%,光耦导通时假设二极管压降为1.6V,副边三极管饱和导通压降Vce=0.4V。输入信号Vi是5V的方波,输出Vcc是3.3V。Vout能得到3.3V的方波吗?
我们来算算:
If = (Vi-1.6V)/Ri = 3.4mA
副边的电流限制:Ic’≤ CTR*If = 1.7mA
假设副边要饱和导通,那么需要Ic’= (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA,大于电流通道限制,所以导通时,Ic会被光耦限制到1.7mA, Vout = Ro*1.7mA = 1.7V
所以副边得到的是1.7V的方波。
为什么得不到3.3V的方波,可以理解为图1光耦电路的电流驱动能力小,只能驱动1.7mA的电流,所以光耦会增大副边三极管的导通压降 来限制副边的电流到1.7mA。
解决措施:增大If;增大CTR;减小Ic。
对应措施为:减小Ri阻值;更换大CTR光耦;增大Ro阻值。
将上述参数稍加优化,假设增大Ri到200欧姆,其他一切条件都不变,Vout能得到3.3V的方波吗?
重新计算:If = (Vi – 1.6V)/Ri = 17mA;副边电流限制Ic’
≤ CTR*If = 8.5mA,远大于副边饱和导通需要的电流(2.9mA),所以实际Ic = 2.9mA。
所以,更改Ri后,Vout输出3.3V的方波。
开关状态的光耦,实际计算时,一般将电路能正常工作需要的最大Ic与原边能提供的最小If之间 Ic/If的比值与光耦的CTR参数做比较,如果Ic/If ≤CTR,说明光耦能可靠导通。一般会预留一点余量(建议小于CTR的90%)。
以上六点即为对光耦简单应用的总结。
参考:
光耦选型最全指南及各种参数说明 - 百度文库