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光耦工作原理详解-光耦参数知识与特点理解-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-05-28 

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光耦,光耦参数

光耦解释

它是以光为媒介来传输电信号的器件,通常把发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管,光敏电阻)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电—光—电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器,由于它具有体积小、寿命长、无触点,抗干扰能力强,输出和输入之间绝缘,单向传输信号等优点,在数字电路上获得广泛的应用。


光耦的工作原理

耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以,它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。


所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件,可以大大提高计算机工作的可靠性。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件,因而具有很强的共模抑制能力。


光耦,光耦参数


光耦参数知识理解

(一)理解光耦

光耦是隔离传输器件,原边给定信号,副边回路就会输出经过隔离的信号。对于光耦的隔离容易理解,此处不做讨论。


以一个简单的图(图.1)说明光耦的工作:原边输入信号 Vin,施加到原边的发光二极管和 Ri 上产生光耦的输入电流If,If 驱动发光二极管,使得副边的光敏三极管导通,回路VCC、RL产生Ic,Ic 经过RL产生Vout,达到传递信号的目的。原边副边直接的驱动关联是CTR(电流传输比),要满足 Ic≤If*CTR。


光耦,光耦参数


光耦一般会有两个用途:线性光耦和逻辑光耦,如果理解?


工作在开关状态的光耦副边三极管饱和导通,管压降<0.4V,Vout 约等于 Vcc(Vcc-0.4V左右),Vout大小只受Vcc大小影响。此时Ic<If*CTR,此工作状态用于传递逻辑开关信号。


工作在线性状态的光耦,Ic=If*CTR,副边三极管压降的大小等于 Vcc-Ic*R L ,Vout=Ic*RL=(Vin-1.6V)/Ri * CTR*RL ,Vout大小直接与Vin成比例,一般用于反馈环路里面 (1.6V是粗略估计,实际要按器件资料,后续 1.6V 同) 。

对于光耦开关和线性状态可以类比为普通三极管的饱和放大两个状态。


光耦,光耦参数


所以通过分析实际的电路,除去隔离因素,用分析三极管的方法来分析光耦是一个很有效的方法。此方法对于后续分析光耦的CTR参数,还有延迟参数都有助于理解。


(二)光耦  CTR

1、光耦能否可靠导通实际计算


举例分析,例如图.1 中的光耦电路,假设Ri=1k,Ro=1k,光耦 CTR=50%,光耦导通时假设二极管压降为1.6V,副边三极管饱和导通压降 Vce=0.4V。输入信号Vi是5V的方波,输出Vcc是3.3V。Vout能得到3.3V的方波吗?

我们来算算:If=(Vi-1.6V)/Ri=3.4mA

副边的电流限制:Ic’≤ CTR*If = 1.7mA


假设副边要饱和导通,那么需要 Ic’= (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA,大于电流通道限制,所以导通时,Ic 会被光耦限制到 1.7mA, Vout = Ro*1.7mA=1.7V,所以副边得到的是1.7V的方波。


为什么得不到3.3V的方波,可以理解为图.1 光耦电路的电流驱动能力小,只能驱动1.7mA的电流,所以光耦会增大副边三极管的导通压降来限制副边的电流到1.7mA。


解决措施:增大 If;增大 CTR;减小 Ic。对应措施为:减小 Ri 阻值;更换大 CTR 光耦;增大 Ro 阻值。


将上述参数稍加优化,假设增大 Ri 到 200 欧姆,其他一切条件都不变,Vout 能得到3.3V的方波吗?


重新计算:If=(Vi–1.6V)/Ri=17mA;副边电流限制 Ic’≤ CTR*If = 8.5mA,远大于副边饱和导通需要的电流(2.9mA),所以实际 Ic = 2.9mA。所以,更改 Ri 后,Vout 输出 3.3V 的方波。


开关状态的光耦,实际计算时,一般将电路能正常工作需要的最大 Ic 与原边能提供的最小 If 之间 Ic/If 的比值与光耦的 CTR 参数做比较,如果 Ic/If ≤CTR,说明光耦能可靠导通。一般会预留一点余量(建议小于 CTR 的 90%)。


2、CTR  受那些因素影响

1)光耦本身:以8701为例,CTR在Ta=25℃/If=16mA 时,范围是(15%~35%)

说明8701这个型号的光耦,不论何时/何地,任何批次里的一个样品,只要在Ta=25℃/If=16mA 这个条件下,CTR是一个确定的值,都能确定在 15%~35%以内。 计算导通时,要以下限进行计算,并且保证有余量。计算关断时要以上限。


2)壳温影响:

Ta=25℃条件下的 CTR 下限确定了,但往往产品里面温度范围比较大,比如光耦会工作在(-5~75℃)下,此种情况下 CTR 怎么确定?还是看 8701 的手册:有 Ta-CTR 关系图:  


光耦,光耦参数


从图中看出以25度的为基准,在其他条件不变的情况下,-5度下的CTR是25度下的 0.9 倍左右,75度下最小与25度下的CTR持平。


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


3) 受If影响。

假设如果实际的If是3.4mA,那么如何确定CTR在If=3.4mA / Ta=(-5~75℃)条件下的最小CTR值。


查看8701的If-CTR曲线。图中给出了三条曲线,代表抽取了三个样品做测试得到的If-CTR曲线,实际只需要一个样品的曲线即可。


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(三)光耦延时

上述CTR影响到信号能不能传过去的问题,类似于直流特性。下面主要分析光耦的延时特性,即光耦能传送多快信号。


涉及到两个参数:光耦导通延时tplh和光耦关断延时tphl,以8701为例 :在If=16mA/Ic=2mA时候,关断延时最大0.8uS,导通延时最大1.2uS。所以用 8701 传递 500k以上的开关信号就需要不能满足。


光耦,光耦参数


下图是一个实测的延时波形(ch4原边(红),ch2副边(绿))


光耦,光耦参数


对于tp参数的设计更应该考虑余量,因为tp参数也受其他因素影响较多。


1) 受温度影响

8701的Ta-If特征曲线:温度升高,开关延时都会增大。


光耦,光耦参数


2) 受原边If大小影响

8701的tp-If特征曲线:If增大,关断延时减小,开通延时增大


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3) 受副边Ic大小影响

8701 的 tp-R L  特征曲线:R L  减小,导通延时增大明显


光耦,光耦参数


针对具体电路的特点,计算最大延时时也是采用与 CTR 一样的方法,通过器件资料给定特定环境下的准确范围,然后逐一通过三个曲线确定具体电路下的光耦最大延时。


注:同一个型号的光耦 CTR/延时特性是一致的,不同光耦的延时特性不尽相同,所以需要根据所用光耦的用户手册来确定。


光耦的结构特点

光耦的主要特点如下:

1.输入和输出端之间绝缘,其绝缘电阻一般都大于10000MΩ,耐压一般可超过1kV,有的甚至可以达到10kV以上。


2.由于光接收器只能接受光源的信息,反之不能,所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象,其输出信号也不会影响输入端。


3.由于发光器件(砷化镓红外二极管)是阻抗电流驱动性器件,而噪音是一种高内阻微电流电压信号。因此光电耦合器件的共模抑制比很大,所以,光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。


4.容易和逻辑电路配合。


5.响应速度快。光电耦合器件的时间常数通常在毫秒甚至微秒级。


6.无触点、寿命长、体积小、耐冲击。


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