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        上海市西門子中國區(qū)總代理商

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        發(fā)布時間: 2024-07-21 10:16
        最后更新: 2024-07-21 10:16
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        詳細說明

        光耦作為一個隔離器件已經(jīng)得到廣泛應用,無處不在。
        一般大家在初次接觸到光耦時往往感到無從下手,不知設計對與錯,隨著遇到越來越多的問題,才會慢慢有所體會。

        本文就三個方面對光耦做討論: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。





        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(jīng)過隔離的信號。
        對于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(fā)光二極管和 Ri 上產(chǎn)生光耦的輸入電流 If,If 驅(qū)動發(fā)光二極管,使得副邊的光敏三極管導通,回路VCC、RL 產(chǎn)生 Ic,Ic 經(jīng)過 R L  產(chǎn)生 Vout,達到傳遞信號的目的。
        原邊副邊直接的驅(qū)動關聯(lián)是CTR(電流傳輸比),要滿足 Ic≤If*CTR。

        圖片


        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(tài)的光耦副邊三極管飽和導通,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 Ic

        工作在線性狀態(tài)的光耦,Ic=If*CTR,副邊三極管壓降的大小等于 Vcc-Ic*R L ,Vout= Ic*R L=(Vin-1.6V)/Ri * CTR*R L ,Vout 大小直接與 Vin 成比例,一般用于反饋環(huán)路里面 (1.6V 是粗略估計,實際要按器件資料,后續(xù) 1.6V 同) 。

              

        對于光耦開關和線性狀態(tài)可以類比為普通三極管的飽和放大兩個狀態(tài)。

        圖片


        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。





        光耦CTR

        概要:1)對于工作在線性狀態(tài)的光耦要根據(jù)實際情況分析;2)對于工作在開關狀態(tài)的光耦要保證光耦導通時 CTR 有一定余量;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

        副邊的電流限制:Ic’≤ CTR*If = 1.7mA

        假設副邊要飽和導通,那么需要 Ic’= (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA,大于電流通道限制,所以導通時,Ic 會被光耦限制到 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)動能力小,只能驅(qū)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制副邊的電流到 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(shù)稍加優(yōu)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;副邊電流限制 Ic’≤ CTR*If = 8.5mA,遠

        大于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 后,Vout 輸出 3.3V 的方波。

        開關狀態(tài)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(shù)做比較,如果 Ic/If ≤CTR,說明光耦能可靠導通。
        一般會預留一點余量(建議小于 CTR 的 90%)。

        工作在線性狀態(tài)令當別論。

        CTR受哪些因素影響

        上一節(jié)說到設計時要保證一定 CTR 余量。
        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 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,范圍是(15%~35%)

        說明 8701 這個型號的光耦,不論何時/何地,任何批次里的一個樣品,只要在 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(nèi)。
        計算導通時,要以下限進行計算,并且保證有余量。
        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(chǎn)品里面溫度范圍比較大,比如光耦會工作在(-5~75℃)下,此種情況下 CTR 怎么確定?還是看 8701 的手冊:有 Ta-CTR 關系圖: 

        圖片

        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,代表抽取了三個樣品做測試得到的If-CTR 曲線,實際只需要一個樣品的曲線即可。

        圖片

        注:此圖容易理解為下限/典型/上限三個曲線,其實不然。
        大部分圖表曲線只是一個相對關系圖,不能圖中讀出juedui的參數(shù)值。

        計算:選用最上面一條樣品曲線,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于 8701 的,其他光耦的特性曲線需要查用戶手冊,分析方法一樣。




        光耦延時

        上述 CTR 影響到信號能不能傳過去的問題,類似于直流特性。
        下面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(shù):光耦導通延時 t plh  和 光耦關斷 延時 t phl  ,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。

        圖片

        下圖是一個實測的延時波形(ch4 原邊(紅),ch2 副邊(綠))

        圖片

        對于 t p  參數(shù)的設計更應該考慮余量,因為 t p  參數(shù)也受其他因素影響較多。

        1) 受溫度影響

        8701 的 Ta-If 特征曲線:溫度升高,開關延時都會增大。


        圖片

        2) 受原邊 If 大小影響

        8701 的 tp-If 特征曲線:If 增大,關斷延時減小,開通延時增大

              

        圖片


        3) 受副邊 Ic 大小影響

        8701 的 tp-R L  特征曲線:R L  減小,導通延時增大明顯


        圖片

        針對具體電路的特點,計算最大延時時也是采用與 CTR 一樣的方法,通過器件資料給定特定環(huán)境下的準確范圍,然后逐一通過三個曲線確定具體電路下的光耦最大延時。

        同一個型號的光耦 CTR/延時特性是一致的,不同光耦的延時特性不盡相同,所以需要根據(jù)所用光耦的用戶手冊來確定。

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