【導(dǎo)讀】光耦是在電路接口中常用到的器件。它的前向電流轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著不同的型號(hào)、工作點(diǎn)的不同而會(huì)發(fā)生變化。本文中的光耦振蕩電路則是利用了電流轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1所帶來(lái)的電流增益而工作的。
光耦是在電路接口中常用到的器件。它的前向電流轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著不同的型號(hào)、工作點(diǎn)的不同而會(huì)發(fā)生變化。本文中的光耦振蕩電路則是利用了電流轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1所帶來(lái)的電流增益而工作的。通過(guò)對(duì)PC851、TLP521的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)的測(cè)量，獲得了它們電流增益隨著工作電流不同變化情況，也驗(yàn)證了光耦震蕩電流的工作原理。
01 振蕩電路
1.1 電路工作情況
今天在西瓜視頻中看到一個(gè)一分鐘的短視頻：光耦可以這樣用，你絕對(duì)想不到的小發(fā)明[1] 展示了一個(gè)有趣的LED閃爍電路。核心是圍繞找一個(gè)光耦（型號(hào)不詳），外部增加相應(yīng)的阻容和LED與器件，構(gòu)成一個(gè)閃爍電路。
▲ 圖 由單個(gè)光耦組成的振蕩電路
在給電路施加+9V電壓之后，電路的LED便開(kāi)始閃爍（1Hz左右）。
▲ 圖 連接電源之后電路工作情況
1.2 電路工作原理
視頻中給出了這個(gè)神奇電路的原理圖，如下圖所示。如果沒(méi)有反饋電容 C1的存在，這個(gè)電路就不會(huì)振蕩。
有了C1，它就會(huì)將光耦輸出負(fù)載電阻R2上的一部分電流反饋到輸入發(fā)光二極管中，增加了 輸入電流，這是一個(gè)正反饋。如果光耦前向耦合電流增益，也就是輸出飽和電流與輸入發(fā)光二極管電流比值，大于1的話(huà)，正反饋就會(huì)持續(xù)增強(qiáng)，直到光耦輸出飽和。
▲ 圖1.3 振蕩電路原理圖
隨著電容C1充電電壓增加，反饋到輸入級(jí)電流減小，直到降為0。此時(shí)光耦輸出級(jí)就從飽和退回到電流放大狀態(tài)，使得R2上的電壓減小，而減小的電壓反過(guò)來(lái)通過(guò)C1耦合到輸入端，使得輸入電流進(jìn)一步減小，直到使得光耦輸出截止。
截止后，電源電壓通過(guò)R1，C1，R2回路形成外部的充電電流，直到C1上的電壓超過(guò)輸入發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓，光耦再次進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。上述過(guò)程重復(fù)形成振蕩。
▲ 圖 搭建電路運(yùn)行情況
下面顯示了光耦的PIN1端、PIN3端的電壓波形。可以看到光耦飽和狀態(tài)的時(shí)間很短，此時(shí)對(duì)C1的充電是 LED，光耦三極管，C1，輸入發(fā)光二極管。
光耦截止時(shí)間很長(zhǎng)，此時(shí)對(duì)C1的充電回路是R1、C1、R2，因此對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)比較大。
▲ 圖1.4 PIN3（藍(lán)色），PIN1（青色）波形
上述振蕩電路工作的條件是光耦的前向耦合電流放大系數(shù)大于1 才行。這就涉及到光耦前向電流轉(zhuǎn)移系數(shù)。下面通過(guò)實(shí)際電路測(cè)試兩個(gè)型號(hào)光耦前向轉(zhuǎn)移系數(shù)。
02 電路測(cè)試
2.1 光耦電壓傳輸特性
手邊有兩款光耦： PC851-高電壓光耦[2] ，以及 TLP521[3] 下面分別測(cè)量它們的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)。
2.1.1 PC851
PC851是一款輸出耐高壓的光耦，根據(jù)它的手冊(cè)可以查到對(duì)應(yīng)的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)
電流轉(zhuǎn)移系數(shù)比較小，大部分情況下都小于1；電流轉(zhuǎn)移系數(shù)與工作電流大小以及環(huán)境溫度都有關(guān)系；
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如下圖所示。
▲ 圖2.1.1 在不同的前向電流與環(huán)境溫度下的電流傳輸系數(shù)
下面是測(cè)量光耦電流轉(zhuǎn)移系數(shù)的電路，由于比較簡(jiǎn)單，大家可以直接在面包板上看到測(cè)量原理。
使用萬(wàn)用表分別測(cè)量R1，R2上的電壓，可以獲得輸入電流和輸出電流。計(jì)算它們的比值可以獲得電流轉(zhuǎn)移系數(shù)。
調(diào)節(jié)電路的電源電壓，從小到大，可以獲得不同工作電流下的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)。
▲ 圖2.1.2 測(cè)試光耦電流傳遞系數(shù)電路
下面顯示了測(cè)量電路工作的電壓從3V一直到15V，采樣100個(gè)測(cè)試點(diǎn)下的輸入電流與輸出電流的大小。可以看到只有當(dāng)工作電壓超過(guò)11V之后，輸出電流的才超過(guò)了輸入電流，對(duì)應(yīng)的電流系數(shù)才能夠大于1。
▲ 圖2.1.3 光耦輸入電流與集電極電流
下圖顯示了電流轉(zhuǎn)移系數(shù)的變化。由于PC851是耐高壓光耦，因此它的光敏三極管的電流增益較小，從而使得光耦前向電流轉(zhuǎn)移系數(shù)比較小。
▲ 圖2.1.4 光耦電流增益
2.1.2 TLP521
TLP521 是一款低壓光耦，被通常應(yīng)用在電路隔離接口上。它對(duì)應(yīng)的前向電流轉(zhuǎn)移系數(shù)相對(duì)比較大。通過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)也可能看到它的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)與工作電流和外部環(huán)境溫度有關(guān)系。
▲ 圖2.1.5 在不同的前向電流與環(huán)境溫度下的電流傳輸系數(shù)
下圖是使用同樣的辦法獲得TLP512的輸入電流與輸出電流變化曲線(xiàn)，可以看到它的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)始終大于1。
▲ 圖2.1.6 測(cè)量不同的前向電流與集電極電流
▲ 圖2.1.7 前向電流系數(shù)
2.2 不同工作電壓
根據(jù)前面分析，可以看到PC851的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)相對(duì)比較小，只有當(dāng)輸入電流超過(guò)一定閾值之后，它的電流增益才能夠大于1。所以使用PC851搭建前面的振蕩電路，則需要比較高的工作電壓。
下面驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論，下面使用萬(wàn)用表的頻率檔測(cè)量光耦的PIN3管腳，如果電路震蕩，可以讀取到輸出信號(hào)的頻率。如果電路不振蕩，則萬(wàn)用表讀取的頻率為0。
為了更好地測(cè)量頻率，將電路中的反饋電容C1的容量改為10uF，此時(shí)電路的振蕩頻率達(dá)到100Hz左右。
下面是測(cè)量工作電壓在1V ~ 20V之間，電路振蕩頻率。
▲ 圖2.2.1 不同的工作電壓下輸出頻率
可以看到只有當(dāng)電壓超過(guò)11V之后，電路才能夠振蕩。振蕩頻率相對(duì)比較穩(wěn)定。
將電路中的光耦更換為T(mén)LP521，由于它的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)比較大，所以電路的工作電壓比較低的時(shí)候，電路就開(kāi)始震蕩了。下圖顯示了該電路的振蕩頻率與工作電流之間的關(guān)系。
▲ 圖2.2.2 不同的工作電壓下輸出頻率
當(dāng)工作電壓超過(guò)19V之后，光耦的工作電流很大，此時(shí)TLP512的電流增益下降，電路就會(huì)停止工作。
※ 電路總結(jié) ※
光耦是在電路接口中常用到的器件。它的前向電流轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著不同的型號(hào)、工作點(diǎn)的不同而會(huì)發(fā)生變化。本文中的光耦振蕩電路則是利用了電流轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1所帶來(lái)的電流增益而工作的。通過(guò)對(duì)PC851、TLP521的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)的測(cè)量，獲得了它們電流增益隨著工作電流不同變化情況，也驗(yàn)證了光耦震蕩電流的工作原理。
參考資料
[1]光耦可以這樣用，你絕對(duì)想不到的小發(fā)明: https://www.ixigua.com/7016565298442535454
[2]PC851-高電壓光耦: https://max.book118.com/html/2018/0316/157506247.shtm
[3]TLP521: https://blog.csdn.net/dark_blue_sea/article/details/5488015
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