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(kāi)關(guān)或者對(duì)射式光電開(kāi)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(wú)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(kāi)關(guān)同樣是無(wú)接觸式的,受檢測(cè)體的制約少,且檢測(cè)距離長(zhǎng),應(yīng)用廣泛。
1 引言
光耦作為一個(gè)隔離器件已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,無(wú)處不在。一般大家在初次接觸到光耦時(shí)往往感到無(wú)從下手,不知設(shè)計(jì)對(duì)與錯(cuò),隨著遇到越來(lái)越多的問(wèn)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(guò)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(shuō)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(guò)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(kāi)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
對(duì)于光耦開(kāi)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(guò)分析實(shí)際的電路,除去隔離因素,用分析三極管的方法來(lái)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(kāi)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(lái)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(lái)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(kāi)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(shuō)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(shuō)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(shuō)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(guò)去的問(wèn)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(kāi)關(guān)信號(hào)就需要不能滿足。
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原文標(biāo)題:光耦的參數(shù)的理解
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