光耦是否可以近似看做成一個(gè)帶隔離功能的三級(jí)管呢？

 

槽型光耦也被工程技術(shù)人員稱作槽型光電開關(guān)或者對(duì)射式光電開關(guān)，也是以光為媒體，由發(fā)光體與受光體間的光路遮擋或由反射光的光亮變化為信號(hào)，檢測(cè)物體的位置、有無等的裝置。槽型光耦也是由一個(gè)紅外線發(fā)射管與一個(gè)紅外線接收管組合而成。它與接近開關(guān)同樣是無接觸式的，受檢測(cè)體的制約少，且檢測(cè)距離長，應(yīng)用廣泛。

 

引言

 

光耦作為一個(gè)隔離器件已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，無處不在。一般大家在初次接觸到光耦時(shí)往往感到無從下手，不知設(shè)計(jì)對(duì)與錯(cuò)，隨著遇到越來越多的問題，才會(huì)慢慢有所體會(huì)。

 

本文就三個(gè)方面對(duì)光耦做討論：光耦工作原理；光耦的CTR 概念；光耦的延時(shí)。本討論也有認(rèn)識(shí)上的局限性，但希望能幫助到初次使用光耦的同事。

 

1 、理解光耦

 

光耦是隔離傳輸器件，原邊給定信號(hào)，副邊回路就會(huì)輸出經(jīng)過隔離的信號(hào)。對(duì)于光耦的隔離容易理解，此處不做討論。以一個(gè)簡(jiǎn)單的圖（圖.1）說明光耦的工作：原邊輸入信號(hào)Vin，施加到原邊的發(fā)光二極管和Ri 上產(chǎn)生光耦的輸入電流If，If驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，使得副邊的光敏三極管導(dǎo)通，回路VCC、RL 產(chǎn)生Ic,Ic經(jīng)過RL產(chǎn)生Vout，達(dá)到傳遞信號(hào)的目的。原邊副邊直接的驅(qū)動(dòng)關(guān)聯(lián)是CTR（電流傳輸比），要滿足Ic≤If*CTR。

 

圖.1

 

光耦一般會(huì)有兩個(gè)用途：線性光耦和邏輯光耦，如果理解？

 

工作在開關(guān)狀態(tài)的光耦副邊三極管飽和導(dǎo)通，管壓降<0.4V，Vout約等于Vcc（Vcc-0.4V左右），Vout 大小只受Vcc大小影響。此時(shí)Ic<If*CTR，此工作狀態(tài)用于傳遞邏輯開關(guān)信號(hào)。工作在線性狀態(tài)的光耦，Ic=If*CTR，副邊三極管壓降的大小等于Vcc-Ic*RL，Vout= Ic*RL=(Vin-1.6V)/Ri * CTR*RL，Vout 大小直接與Vin 成比例，一般用于反饋環(huán)路里面 (1.6V 是粗略估計(jì)，實(shí)際要按器件資料，后續(xù)1.6V同) 。

 

對(duì)于光耦開關(guān)和線性狀態(tài)可以類比為普通三極管的飽和放大兩個(gè)狀態(tài)。

 

 

所以通過分析實(shí)際的電路，除去隔離因素，用分析三極管的方法來分析光耦是一個(gè)很有效的方法。此方法對(duì)于后續(xù)分析光耦的CTR 參數(shù)，還有延遲參數(shù)都有助于理解。

 

2、光耦CTR

 

概要：

 

1)對(duì)于工作在線性狀態(tài)的光耦要根據(jù)實(shí)際情況分析；

 

2)對(duì)于工作在開關(guān)狀態(tài)的光耦要保證光耦導(dǎo)通時(shí)CTR 有一定余量；

 

3)CTR受多個(gè)因素影響。

 

2.1 光耦能否可靠導(dǎo)通實(shí)際計(jì)算

 

舉例分析，例如圖.1中的光耦電路，假設(shè) Ri = 1k,Ro = 1k,光耦CTR= 50%，光耦導(dǎo)通時(shí)假設(shè)二極管壓降為1.6V，副邊三極管飽和導(dǎo)通壓降Vce=0.4V。輸入信號(hào)Vi 是5V的方波，輸出Vcc 是3.3V。Vout 能得到3.3V 的方波嗎？

 

我們來算算：If = (Vi-1.6V)/Ri = 3.4mA

 

副邊的電流限制：Ic’ ≤ CTR*If = 1.7mA

 

假設(shè)副邊要飽和導(dǎo)通，那么需要Ic’ = (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA，大于電流通道限制，所以導(dǎo)通時(shí)，Ic會(huì)被光耦限制到1.7mA， Vout = Ro*1.7mA = 1.7V

 

所以副邊得到的是1.7V 的方波。

 

為什么得不到3.3V 的方波，可以理解為圖.1 光耦電路的電流驅(qū)動(dòng)能力小，只能驅(qū)動(dòng)1.7mA 的電流，所以光耦會(huì)增大副邊三極管的導(dǎo)通壓降來限制副邊的電流到1.7mA。

 

解決措施：增大If；增大CTR；減小Ic。對(duì)應(yīng)措施為：減小Ri 阻值；更換大CTR 光耦；增大Ro 阻值。

 

將上述參數(shù)稍加優(yōu)化，假設(shè)增大Ri 到200歐姆，其他一切條件都不變，Vout能得到3.3V的方波嗎？

 

重新計(jì)算：If = (Vi – 1.6V)/Ri = 17mA；副邊電流限制Ic’ ≤ CTR*If = 8.5mA，遠(yuǎn)大于副邊飽和導(dǎo)通需要的電流(2.9mA)，所以實(shí)際Ic = 2.9mA。

 

所以，更改Ri 后，Vout 輸出3.3V 的方波。

 

開關(guān)狀態(tài)的光耦，實(shí)際計(jì)算時(shí)，一般將電路能正常工作需要的最大Ic 與原邊能提供的最小If 之間Ic/If 的比值與光耦的CTR 參數(shù)做比較，如果Ic/If ≤CTR，說明光耦能可靠導(dǎo)通。一般會(huì)預(yù)留一點(diǎn)余量（建議小于CTR 的90%）。

 

工作在線性狀態(tài)令當(dāng)別論。

 

2.2 CTR受那些因素影響

 

上一節(jié)說到設(shè)計(jì)時(shí)要保證一定CTR 余量。就是因?yàn)镃TR的大小受眾多因素影響，這些因素之中既有導(dǎo)致CTR只離散的因素（不同光耦），又有與CTR 有一致性的參數(shù)（殼溫/If）。

 

1)光耦本身：

 

以8701為例，CTR 在Ta=25℃/If=16mA時(shí)，范圍是(15%~35%)說明 8701 這個(gè)型號(hào)的光耦，不論何時(shí)/何地，任何批次里的一個(gè)樣品，只要在Ta=25℃

 

/If=16mA 這個(gè)條件下，CTR 是一個(gè)確定的值，都能確定在15%~35%以內(nèi)。計(jì)算導(dǎo)通時(shí)，要以下限進(jìn)行計(jì)算，并且保證有余量。計(jì)算關(guān)斷時(shí)要以上限。

 

2)殼溫影響：

 

Ta=25℃條件下的CTR 下限確定了，但往往產(chǎn)品里面溫度范圍比較大，比如光耦會(huì)工作在（-5~75℃）下，此種情況下CTR 怎么確定？還是看8701 的手冊(cè)：有Ta-CTR關(guān)系圖：

 

從圖中看出，以25 度的為基準(zhǔn)，在其他條件不變的情況下，-5 度下的CTR 是25 度下的0.9 倍左右，75 度下最小與25 度下的CTR 持平。

所以在 16mA/(-5~75℃)條件下，8701的CTR 最小值是15%*0.9 = 13.5%

 

3) 受If 影響。

 

假設(shè)如果實(shí)際的If是3.4mA，那么如何確定CTR在If=3.4mA / Ta=(-5~75℃)條件下的最小CTR 值。

 

查看 8701 的If-CTR 曲線。圖中給出了三條曲線，代表抽取了三個(gè)樣品做測(cè)試得到的If-CTR 曲線，實(shí)際只需要一個(gè)樣品的曲線即可。

 

注：此圖容易理解為下限/典型/上限三個(gè)曲線，其實(shí)不然。大部分圖表曲線只是一個(gè)相對(duì)關(guān)系圖，不能圖中讀出絕對(duì)的參數(shù)值。

 

計(jì)算：選用最上面一條樣品曲線，由圖中查出，If=16mA 時(shí)CTR 大概28%，在If=3.4mA時(shí)CTR 大概在46%。3.4mA 是16mA 時(shí)的46%/28% = 1.64倍；

 

所以，在 If=3.4mA / (-5~75℃)，CTR下限為13.5% * 1.64 = 22.2%

 

以上所有分析都是基于8701 的，其他光耦的特性曲線需要查用戶手冊(cè)，分析方法一樣。

 

3、光耦延時(shí)

 

上述CTR 影響到信號(hào)能不能傳過去的問題，類似于直流特性。下面主要分析光耦的延時(shí)特性，即光耦能傳送多快信號(hào)。

 

涉及到兩個(gè)參數(shù)：光耦導(dǎo)通延時(shí)tplh 和光耦關(guān)斷延時(shí)tphl，以8701 為例：在If=16mA/Ic=2mA 時(shí)候，關(guān)斷延時(shí)最大0.8uS，導(dǎo)通延時(shí)最大1.2uS。所以用8701 傳遞500k以上的開關(guān)信號(hào)就需要不能滿足。

 

 

推薦閱讀：