【硬件学习笔记002】光耦也就那么一回事

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        光耦一般分为两种:一种为光电晶体管输出光耦(非线性),另一种为逻辑输出光耦(线性)。

        逻辑输出光耦的电流传输特性曲线是非线性的,适合于开关信号的传输,不适合于传输模拟量; 光电晶体管输出光耦的电流传输特性是线性的,适合传输模拟量,在选取外围电路参数适当的情况下也可以传递开关信号。

1、逻辑输出光耦

        芯片举例:TLP5701

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         上图是TLP5701芯片的内部电路与真值表。输入部分是发光二极管,电流IF流过发光二极管,达到二极管最小发光电流后二极管发光,流过二极管电流越大,发光强度越大。探测器感受到光强后,触发输出侧的两个MOS管(推挽结构)动作,从而输出所需的高电平与低电平信号。

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         输出测试电路如上图所示,输出有一定的上升与下降时间,在较低的频率条件下不明显,但在较高的频率条件下,失真较为严重。需关注光耦的工作频率限值。

        若出现失真现象可在输出端加入两个施密特触发器(如74HC14)进行整形,施密特触发器除反相外还具有整形作用。

2、光电晶体管输出光耦

2.1、传递开关信号

        光电晶体管也可以用作开关量信号的传输。且分析方法与逻辑输出光耦基本一致。

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        如上图所示为一个最简单的光耦用作开关器件时的测试电路。输入侧是一个发光二极管,流过发光二极管的电流决定了发光二极管的发光强度,发光强度决定了输出侧晶体管的电流强度进而控制输出电压Vce的大小。当RL阻值选取的适当大。可以让Vce的电压值在晶体管导通时迅速为0,在晶体管关断时迅速被拉升至Vcc,即可实现开关量的传输。也就是要让流过二极管的电流IF尽可能大,从而时晶体管迅速达到饱和态。

2.2、传递线性信号

       光电晶体管在传输模拟量时需要工作在晶体管的放大态,即小信号模式。该状态在开关电源中常用,下面来简要分析其工作模式。

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        三极管中集电极电流和基极电流关系约为lc=β*Ib,与三极管有类似,光耦中光电三极管的集电极和基极的电流关系约为lc=Ctr*If,其中Ctr(Current transfer ratio)等同于三极管中的放大倍数β。不同之处这个Ctr是随电流 If 变化的曲线。

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         对于 If 的取值范围可根据芯片的数据手册最大绝对额定值一栏中Forward current一项得知,当大于该值时光耦二极管将会损坏,在推荐工作条件中一般会在Forward current一项标明推荐的工作电流范围(如以上两图所示)。一般发光二极管在大于1mA时即可工作。因发光二极管使用过程中逐渐损耗发光亮度越来越低,所以一般取最小4~5mA以上。

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         Vf也是一个重要的参数,该参数为发光二极管的压降。

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        CTR是电流传输比,等价于三极管中的放大倍数β。以上为TLP521全系列的CTR范围。不同的信号传输比不一致,因此在需利用光耦线性关系的场合(如开关电源)不可以随意替换光耦,否则会导致输出侧电流的突变或不明显变化,从而影响产品性能。

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        根据CTR与If对应关系表(TLP521GB),CTR的值可以根据If的值得出。从而可求得此时Ic的值。

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         以此图为例,取If=10mA,RL=100Ω,Vcc=5V。在当前条件下,查表可知CTR=260%,集电极电流 Ic=CTR*If=2.6*10=26mA,则此时Output输出电压Vo=Vcc-RL*Ic=5-100*0.026=2.4V。

        在If=10mA的条件下,若想要Vo=5V,则可使If=0从而关断光电三极管,将Vo上拉至5V。若想要Vo=0V,则可使RL>Vcc/If=193Ω。

        根据以上计算可知,若想使光耦传输小信号则集电极电阻RL不应取得过大;若想使光偶传输开关量则集电极电阻RL不应取得过小。

        通过选取适当电阻值,通过光电转换即可即可将前级小信号传递到后级。也可以实现电流到电压的转换(开关电源中常用)。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-636703.html

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