光耦是否可以近似看做成一個帶隔離功能的三級管呢？

 

槽型光耦也被工程技術人員稱作槽型光電開關或者對射式光電開關
，也是以光為媒體
，由發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
，檢測物體的位置
、有(you)無(wu)等(deng)的(de)裝(zhuang)置(zhi)。槽(cao)型(xing)光(guang)耦(ou)也(ye)是(shi)由(you)一(yi)個(ge)紅(hong)外(wai)線(xian)發(fa)射(she)管(guan)與(yu)一(yi)個(ge)紅(hong)外(wai)線(xian)接(jie)收(shou)管(guan)組(zu)合(he)而(er)成(cheng)。它(ta)與(yu)接(jie)近(jin)開(kai)關(guan)同(tong)樣(yang)是(shi)無(wu)接(jie)觸(chu)式(shi)的(de)，受(shou)檢(jian)測(ce)體(ti)的(de)製(zhi)約(yue)少(shao)
，且(qie)檢(jian)測(ce)距(ju)離(li)長(chang)，應(ying)用(yong)廣(guang)泛(fan)。

 

引言

 

光guang耦ou作zuo為wei一yi個ge隔ge離li器qi件jian已yi經jing得de到dao廣guang泛fan應ying用yong，無wu處chu不bu在zai。一yi般ban大da家jia在zai初chu次ci接jie觸chu到dao光guang耦ou時shi往wang往wang感gan到dao無wu從cong下xia手shou
，不bu知zhi設she計ji對dui與yu錯cuo，隨sui著zhe遇yu到dao越yue來lai越yue多duo的de問wen題ti
，才cai會hui慢man慢man有you所suo體ti會hui。

 

本文就三個方麵對光耦做討論：光耦工作原理；光耦的CTR 概念；光耦的延時。本討論也有認識上的局限性，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，副邊回路就會輸出經過隔離的信號。對於光耦的隔離容易理解
，此處不做討論。以一個簡單的圖（圖.1）說明光耦的工作：原邊輸入信號Vin，施加到原邊的發光二極管和Ri 上產生光耦的輸入電流If，If驅動發光二極管，使得副邊的光敏三極管導通，回路VCC
、RL 產生Ic,Ic經過RL產生Vout，達到傳遞信號的目的。原邊副邊直接的驅動關聯是CTR（電流傳輸比）

，要滿足Ic≤If*CTR。

 

圖.1

 

光耦一般會有兩個用途：線性光耦和邏輯光耦，如果理解
？

 

工作在開關狀態的光耦副邊三極管飽和導通，管壓降<0.4V，Vout約等於Vcc（Vcc-0.4V左右）

，Vout 大小隻受Vcc大小影響。此時Ic<If*CTR，此工作狀態用於傳遞邏輯開關信號。工作在線性狀態的光耦，Ic=If*CTR
，副邊三極管壓降的大小等於Vcc-Ic*RL
，Vout= Ic*RL=(Vin-1.6V)/Ri * CTR*RL，Vout 大小直接與Vin 成比例，一般用於反饋環路裏麵 (1.6V 是粗略估計，實際要按器件資料
，後續1.6V同) 。

 

對於光耦開關和線性狀態可以類比為普通三極管的飽和放大兩個狀態。

 

 

所以通過分析實際的電路，除去隔離因素，用分析三極管的方法來分析光耦是一個很有效的方法。此方法對於後續分析光耦的CTR 參數，還有延遲參數都有助於理解。

 

2

、光耦CTR

 

概要：

 

1)對於工作在線性狀態的光耦要根據實際情況分析；

 

2)對於工作在開關狀態的光耦要保證光耦導通時CTR 有一定餘量；

 

3)CTR受多個因素影響。

 

2.1 光耦能否可靠導通實際計算

 

舉例分析，例如圖.1中的光耦電路，假設 Ri = 1k,Ro = 1k,光耦CTR= 50%，光耦導通時假設二極管壓降為1.6V
，副邊三極管飽和導通壓降Vce=0.4V。輸入信號Vi 是5V的方波，輸出Vcc 是3.3V。Vout 能得到3.3V 的方波嗎？

 

我們來算算：If = (Vi-1.6V)/Ri = 3.4mA

 

副邊的電流限製：Ic’ ≤ CTR*If = 1.7mA

 

假設副邊要飽和導通，那麼需要Ic’ = (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA，大於電流通道限製
，所以導通時，Ic會被光耦限製到1.7mA， Vout = Ro*1.7mA = 1.7V

 

所以副邊得到的是1.7V 的方波。

 

為什麼得不到3.3V 的方波，可以理解為圖.1 光耦電路的電流驅動能力小
，隻能驅動1.7mA 的電流，所以光耦會增大副邊三極管的導通壓降來限製副邊的電流到1.7mA。

 

解決措施：增大If
；增大CTR
；減小Ic。對應措施為：減小Ri 阻值；更換大CTR 光耦
；增大Ro 阻值。

 

將上述參數稍加優化，假設增大Ri 到200歐姆，其他一切條件都不變，Vout能得到3.3V的方波嗎？

 

重新計算：If = (Vi – 1.6V)/Ri = 17mA；副邊電流限製Ic’ ≤ CTR*If = 8.5mA，遠大於副邊飽和導通需要的電流(2.9mA)，所以實際Ic = 2.9mA。

 

所以，更改Ri 後，Vout 輸出3.3V 的方波。

 

開關狀態的光耦，實際計算時

，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 參數做比較，如果Ic/If ≤CTR，說明光耦能可靠導通。一般會預留一點餘量（建議小於CTR 的90%）。

 

工作在線性狀態令當別論。

 

2.2 CTR受那些因素影響

 

上一節說到設計時要保證一定CTR 餘量。就是因為CTR的大小受眾多因素影響，這些因素之中既有導致CTR隻離散的因素（不同光耦），又有與CTR 有一致性的參數（殼溫/If）。

 

1)光耦本身：

 

以8701為例，CTR 在Ta=25℃/If=16mA時

，範圍是(15%~35%)說明 8701 這個型號的光耦，不論何時/何地，任何批次裏的一個樣品，隻要在Ta=25℃

 

/If=16mA 這個條件下，CTR 是一個確定的值
，都能確定在15%~35%以內。計算導通時
，要以下限進行計算

，並且保證有餘量。計算關斷時要以上限。

 

2)殼溫影響：

 

Ta=25℃條件下的CTR 下限確定了，但往往產品裏麵溫度範圍比較大，比如光耦會工作在（-5~75℃）下
，此種情況下CTR 怎麼確定

？還是看8701 的手冊：有Ta-CTR關係圖：

 

從圖中看出
，以25 度的為基準，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。

 

假設如果實際的If是3.4mA，那麼如何確定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，代表抽取了三個樣品做測試得到的If-CTR 曲線，實際隻需要一個樣品的曲線即可。

 

注：此圖容易理解為下限/典型/上限三個曲線
，其實不然。大部分圖表曲線隻是一個相對關係圖，不能圖中讀出絕對的參數值。

 

計算：選用最上麵一條樣品曲線，由圖中查出，If=16mA 時CTR 大概28%，在If=3.4mA時CTR 大概在46%。3.4mA 是16mA 時的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於8701 的，其他光耦的特性曲線需要查用戶手冊，分析方法一樣。

 

3、光耦延時

 

上述CTR 影響到信號能不能傳過去的問題
，類似於直流特性。下麵主要分析光耦的延時特性，即光耦能傳送多快信號。

 

涉及到兩個參數：光耦導通延時tplh 和光耦關斷延時tphl

，以8701 為例：在If=16mA/Ic=2mA 時候，關斷延時最大0.8uS，導通延時最大1.2uS。所以用8701 傳遞500k以上的開關信號就需要不能滿足。

 

 

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