光耦电路

2023-11-09

光电耦合器(opticalcoupler,英文缩写为OC)亦称光电隔离器或光耦合器,简称光耦。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)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光二极管发出光线,光敏三极管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。
  光耦合器的主要优点是:信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定,无触点,使用寿命长,传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件,现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中,利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路,通过调节控制端电流来改变占空比,达到精密稳压目的。
  在光耦电路设计中,有两个参数常常被人忽视,需要格外注意,一个是反向电压Vr(ReverseVoltage),是指原边发光二极管所能承受的最大反向电压,超过此反向电压,可能会损坏LED。而一般光耦中,这个参数只有5V左右,在存在反压或振荡的条件下使用时,要特别注意不要超过反向电压。如,在使用交流脉冲驱动LED时,需要增加保护电路。

1.jpg

另外一个参数是光耦的电流传输比(currenttransferratio,简称CTR),是指在直流工作条件下,光耦的输出电流与输入电流之间的比值。光耦的CTR类似于三极管的电流放大倍数,是光耦的一个极为重要的参数,它取决于光耦的输入电流和输出电流值及电耦的电源电压值,这几个参数共同决定了光耦工作在放大状态还是开关状态,其计算方法与三极管工作状态计算方法类似。若输入电流、输出电流、电流传输比设计搭配不合理,可能导致电路不能工作在预想的工作状态。
  除上述两个参数外,光耦还有几个参数是比较重要的,如:
  1)正向工作电压Vf(ForwardVoltage),Vf是指在给定的工作电流下,LED本身的压降。常见的小功率LED通常以If=10mA来测试正向工作电压,当然不同的LED,测试条件和测试结果也会不一样。
  2)集电极电流Ic(CollectorCurrent)光敏三极管集电极所流过的电流,通常表示其最大值。
  3)C-E饱和电压Vce(sat)(C-ESaturationVoltage),即光敏三极管的集电极-发射极饱和压降。
  4)上升时间Tr(RiseTime)&下降时间Tf(FallTime),其定义与典型测试方法如下图所示,它们反映了工作在开关状态的光耦,其开关速度情况。

2.jpg

 

光耦电路用作开关作用:

 

1 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

光耦一般会有两个用途:线性光耦和逻辑光耦,我们上面知道Ic≤If*CTR,那么可以对电路分为

Ic<If*CTR和Ic=If*CTR两部分:

第一部分:Ic<If*CTR
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。

第二部分:Ic=If*CTR
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*RL,Vout= Ic*RL
=(Vin-VF)/Ri * CTR*RL,Vout 大小直接与Vin 成比例,一般用于反馈环路里面。

实例说明:
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%)。

 

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