有趣的光耦振蕩器

作者： 卓晴，TsinghuaJoking微信公眾號

簡 介： 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、工作點的不同而會發(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所帶來的電流增益而工作的。通過對PC851、TLP521的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)的測量，獲得了它們電流增益隨著工作電流不同變化情況，也驗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一分鐘的短視頻：光耦可以這樣用，你絕對想不到的小發(fā)明[1] 展示了一個有趣的LED閃爍電路。核心是圍繞找一個光耦（型號不詳），外部增加相應(yīng)的阻容和LED與器件，構(gòu)成一個閃爍電路。

圖 由單個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
視頻中給出了這個神奇電路的原理圖，如下圖所示。如果沒有反饋電容 C1的存在，這個電路就不會振蕩。

有了C1，它就會將光耦輸出負(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，正反饋就會持續(xù)增強，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，反饋到輸入級電流減小，直到降為0。此時光耦輸出級就從飽和退回到電流放大狀態(tài)，使得R2上的電壓減小，而減小的電壓反過來通過C1耦合到輸入端，使得輸入電流進一步減小，直到使得光耦輸出截止。

截止后，電源電壓通過R1，C1，R2回路形成外部的充電電流，直到C1上的電壓超過輸入發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓，光耦再次進入導(dǎo)通狀態(tài)。上述過程重復(fù)形成振蕩。

圖 搭建電路運行情況

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)的時間很短，此時對C1的充電是 LED，光耦三極管，C1，輸入發(fā)光二極管。

??光耦截止時間很長，此時對C1的充電回路是R1、C1、R2，因此對應(yīng)的時間常數(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)。下面通過實際電路測試兩個型號光耦前向轉(zhuǎn)移系數(shù)。

02 電路測試

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)它的手冊可以查到對應(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；

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)

下面是測量光耦電流轉(zhuǎn)移系數(shù)的電路，由于比較簡單，大家可以直接在面包板上看到測量原理。

??使用萬用表分別測量R1，R2上的電壓，可以獲得輸入電流和輸出電流。計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 測試光耦電流傳遞系數(shù)電路

?下面顯示了測量電路工作的電壓從3V一直到15V，采樣100個測試點下的輸入電流與輸出電流的大小?？梢钥吹街挥挟?dāng)工作電壓超過11V之后，輸出電流的才超過了輸入電流，對應(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。它對應(yīng)的前向電流轉(zhuǎn)移系數(shù)相對比較大。通過數(shù)據(jù)手冊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，可以看到它的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)始終大于1。

圖2.1.6 測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)相對比較小，只有當(dāng)輸入電流超過一定閾值之后，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。

??下面驗證這個結(jié)論，下面使用萬用表的頻率檔測量光耦的PIN3管腳，如果電路震蕩，可以讀取到輸出信號的頻率。如果電路不振蕩，則萬用表讀取的頻率為0。

??為了更好地測量頻率，將電路中的反饋電容C1的容量改為10uF，此時電路的振蕩頻率達(dá)到100Hz左右。

??下面是測量工作電壓在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11V之后，電路才能夠振蕩。振蕩頻率相對比較穩(wěn)定。

??將電路中的光耦更換為TLP521，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候，電路就開始震蕩了。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19V之后，光耦的工作電流很大，此時TLP512的電流增益下降，電路就會停止工作。

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、工作點的不同而會發(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所帶來的電流增益而工作的。通過對PC851、TLP521的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)的測量，獲得了它們電流增益隨著工作電流不同變化情況，也驗證了光耦震蕩電流的工作原理。