光耦是否可以近似看做成一個帶隔離功能的三級管呢？

 

槽型光耦也被工程技術人員稱作槽型光電開關或者對射式光電開關，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，檢測物體的位置、有無等的裝置。槽型光耦也是由一個紅外線發(fā)射管與一個紅外線接收管組合而成。它與接近開關同樣是無接觸式的，受檢測體的制約少，且檢測距離長，應用廣泛。

 

引言

 

光耦作為一個隔離器件已經得到廣泛應用，無處不在。一般大家在初次接觸到光耦時往往感到無從下手，不知設計對與錯，隨著遇到越來越多的問題，才會慢慢有所體會。

 

本文就三個方面對光耦做討論：光耦工作原理；光耦的CTR 概念；光耦的延時。本討論也有認識上的局限性，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，副邊回路就會輸出經過隔離的信號。對于光耦的隔離容易理解，此處不做討論。以一個簡單的圖（圖.1）說明光耦的工作：原邊輸入信號Vin，施加到原邊的發(fā)光二極管和Ri 上產生光耦的輸入電流If，If驅動發(fā)光二極管，使得副邊的光敏三極管導通，回路VCC、RL 產生Ic,Ic經過RL產生Vout，達到傳遞信號的目的。原邊副邊直接的驅動關聯是CTR（電流傳輸比），要滿足Ic≤If*CTR。

 

圖.1

 

光耦一般會有兩個用途：線性光耦和邏輯光耦，如果理解？

 

工作在開關狀態(tài)的光耦副邊三極管飽和導通，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Ic<If*CTR，此工作狀態(tài)用于傳遞邏輯開關信號。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，實際要按器件資料，后續(xù)1.6V同) 。

 

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

 

 

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

 

2、光耦CTR

 

概要：

 

1)對于工作在線性狀態(tài)的光耦要根據實際情況分析；

 

2)對于工作在開關狀態(tài)的光耦要保證光耦導通時CTR 有一定余量；

 

3)CTR受多個因素影響。

 

2.1 光耦能否可靠導通實際計算

 

舉例分析，例如圖.1中的光耦電路，假設 Ri = 1k,Ro = 1k,光耦CTR= 50%，光耦導通時假設二極管壓降為1.6V，副邊三極管飽和導通壓降Vce=0.4V。輸入信號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

 

假設副邊要飽和導通，那么需要Ic’ = (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA，大于電流通道限制，所以導通時，Ic會被光耦限制到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 光耦電路的電流驅動能力小，只能驅動1.7mA 的電流，所以光耦會增大副邊三極管的導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。對應措施為：減小Ri 阻值；更換大CTR 光耦；增大Ro 阻值。

 

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

 

重新計算：If = (Vi – 1.6V)/Ri = 17mA；副邊電流限制Ic’ ≤ CTR*If = 8.5mA，遠大于副邊飽和導通需要的電流(2.9mA)，所以實際Ic = 2.9mA。

 

所以，更改Ri 后，Vout 輸出3.3V 的方波。

 

開關狀態(tài)的光耦，實際計算時，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 參數做比較，如果Ic/If ≤CTR，說明光耦能可靠導通。一般會預留一點余量（建議小于CTR 的90%）。

 

工作在線性狀態(tài)令當別論。

 

2.2 CTR受那些因素影響

 

上一節(jié)說到設計時要保證一定CTR 余量。就是因為CTR的大小受眾多因素影響，這些因素之中既有導致CTR只離散的因素（不同光耦），又有與CTR 有一致性的參數（殼溫/If）。

 

1)光耦本身：

 

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

 

/If=16mA 這個條件下，CTR 是一個確定的值，都能確定在15%~35%以內。計算導通時，要以下限進行計算，并且保證有余量。計算關斷時要以上限。

 

2)殼溫影響：

 

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

 

從圖中看出，以25 度的為基準，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。

 

假設如果實際的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，代表抽取了三個樣品做測試得到的If-CTR 曲線，實際只需要一個樣品的曲線即可。

 

注：此圖容易理解為下限/典型/上限三個曲線，其實不然。大部分圖表曲線只是一個相對關系圖，不能圖中讀出絕對的參數值。

 

計算：選用最上面一條樣品曲線，由圖中查出，If=16mA 時CTR 大概28%，在If=3.4mA時CTR 大概在46%。3.4mA 是16mA 時的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，分析方法一樣。

 

3、光耦延時

 

上述CTR 影響到信號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特性，即光耦能傳送多快信號。

 

涉及到兩個參數：光耦導通延時tplh 和光耦關斷延時tphl，以8701 為例：在If=16mA/Ic=2mA 時候，關斷延時最大0.8uS，導通延時最大1.2uS。所以用8701 傳遞500k以上的開關信號就需要不能滿足。

 

 

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