今天給大家分享的是光耦電路設(shè)計(jì)。

光耦電路的設(shè)計(jì)像設(shè)計(jì) BJT 電路一樣。如果 BJT 有增益或者電流增益，那光耦合器就有 CTR 或電流傳輸比。

了解 CTR，并使用，那光耦合電路設(shè)計(jì)的就會(huì)變得容易。

一、什么是光耦合器的 CTR？

CTR 也就是電流傳輸比，是集電極與正向電流的比率，用%表示：

CTR = ( Ic / If ) x 100%

集電極電流是流向光耦合器晶體管側(cè)集電極的電流，另一方面，正向電流是流向光耦合器二極管側(cè)的電流。

基本上，二極管側(cè)通過器件電流傳輸比鏈接到晶體管側(cè)。在設(shè)計(jì)光耦合器電路設(shè)計(jì)時(shí)，也可以使用 KVL、KCL、歐姆定律等。

二、光耦合器電路設(shè)計(jì)步驟

1、選擇電路結(jié)構(gòu)

在這個(gè)時(shí)候，盡量不要讓電路變得復(fù)雜，因此組件數(shù)量是越少越好。有兩個(gè)原因，第一，成本較低，第二組件越少，出故障率越低，可靠性也就越高。

假設(shè)將信號(hào)從初級(jí)側(cè)控制器傳輸?shù)酱渭?jí)控制器，那電路就如下所示：

逆變器配置

上面這個(gè)電路配置是逆變器，如果你想要非反相信號(hào)，就使用下面這個(gè)電路結(jié)構(gòu)。

同相配置

如果要使晶體管飽和，第一個(gè)電路通常是反相電路，如果將電路偏置為在線性區(qū)域工作，則 Uout 節(jié)點(diǎn)處的電壓可能高于 0 。第二個(gè)電路是同相配置，與 BJT 的共集電極配置相當(dāng)，但由于存在基極電流，BJT 共集電極比該電路更為復(fù)雜。

2、選擇光耦合部件

光耦合器電路設(shè)計(jì)的下一步是選擇光耦合器部件，在這個(gè)過程中，你必須考慮你的需求。

• 如果你的應(yīng)用是交換機(jī)，則比較選擇最低CTR較高的設(shè)備，

• 如果你的設(shè)備是線性的，你可以考慮使用點(diǎn)擊率范圍較小的應(yīng)用程序，嚴(yán)格的點(diǎn)擊率將對(duì)應(yīng)較小的變化。

• 如果電路要暴露再高溫環(huán)境下，最好選擇 CT受環(huán)境溫度影響不太大的光耦，光耦合器CTR會(huì)隨著溫度升高而降低。

例如下圖中，在100℃環(huán)境溫度下相對(duì) CTR 會(huì)下降很多。

CTR和溫度之間的關(guān)系

如果電路使用的周期較長，最好還要考慮一下預(yù)期生命曲線。如下所示，隨著設(shè)備老化，點(diǎn)擊率會(huì)下降。

預(yù)期生命曲線

3、設(shè)置電路操作

這里必須要設(shè)計(jì)電路的工作點(diǎn)，為了使信息更豐富，可以參下面的電路。

設(shè)計(jì)電路的工作點(diǎn)

1）定義輸出電平

上述電路可以被配置為在線性或飽和區(qū)域工作。

飽和時(shí)，Uout 節(jié)點(diǎn)理想為零，但線性高于零但低于 Ucc。當(dāng)二極管側(cè)沒有偏置時(shí)，Uout 的電平與 Ucc 相同。

• 因此，如果將電路設(shè)計(jì)為開關(guān)，則理想情況下，當(dāng)光耦合器導(dǎo)通時(shí)，必須假設(shè) UCE 或 Uout 為零。

• 如果應(yīng)用是線性的，則必須在設(shè)計(jì)中使用的 Uout 節(jié)點(diǎn)中定義特定電平。

2）定義 Rf 值

你可以自由選擇該值。但是，在某些應(yīng)用中需要注意。大多數(shù)時(shí)候，Udd 源自數(shù)字電路或設(shè)備，例如 MCU 或 DSP。如果是這樣，不能超過數(shù)字電路或設(shè)備的電流額定值的方式設(shè)置 Rf 值。對(duì)于 MCU 和 DSP，灌電流和源電流通常在 4mA 到 9mA 之間（其他一些可能會(huì)達(dá)到高于 9mA，在 Datasheet 中查看）。

假設(shè)額定電流最大僅為 4mA，則將實(shí)際正向電流最多設(shè)置為其 80%。所以 Rf :

If= (Udd – Uf) / Rf

Rf > (Udd – Uf)/(80% x I 額定值)

（Uf為光耦的正向電壓）

3）確定 Rc

定義 Rf 和正向電流后，即可確定 Rc 的值。

4）對(duì)于飽和度設(shè)置

( Ic / If ) < CTR 設(shè)備

Ic = (Ucc – UCEsat) / Rc

Rc > [ (Ucc –UCEsat ) / (CTR設(shè)備 x IF ) ]

5）對(duì)于線性設(shè)置

( Ic / If ) = CTR 設(shè)備

Ic = (Ucc – UCE) / Rc

Rc = [ ( Ucc – UCE ) / ( CTRdevice x If ) ]

三、光耦合器電路設(shè)計(jì)示例1-設(shè)計(jì)為開關(guān)

現(xiàn)在，應(yīng)該上述光耦合器電路設(shè)計(jì)，為下面的電路提供值。

輸出應(yīng)提供邏輯低電平和邏輯高電平。邏輯低電平是低于 0.8V 的任何電壓，而邏輯高電平等于 Ucc。

電源 Ucc 為 5V，由具有 4mA 拉電流和灌電流能力的 MCU 提供。光耦 CTR 為80%，二極管壓降為0.7V。

光耦合器電路設(shè)計(jì)示例

1、選擇射頻值

Rf = [ ( Udd –Uf ) / ( 80% x I rating ) ]

Rf > [ ( 5V – 0.7V ) / ( 80% x 4mA ) ] = 1.34 kohm

我們可以將 Rf 設(shè)置為1.5k 標(biāo)準(zhǔn)值。

2、求解 If

If = [ ( 5V – 0.7V ) / 1.5 kohm ] = 2.87 mA

3、確定 Rc

Rc > [ (Ucc – UCEsat ) / ( CTR x If ) ] = [ ( 5V – 0V ) / ( 80% x 2.87mA ) ] = 2.18 kohm

我們假設(shè)最壞情況下 UCEsat 等于 0?，F(xiàn)在最終電路的是

最終電路

4、設(shè)計(jì)檢查

我們將驗(yàn)證正向電流 If 是否不超過 MCU 的最大拉電流和灌電流。

If= [ ( 5V – 0.7V ) / 1.5 kohm ] = 2.87 mA

計(jì)算出的當(dāng)前正向電流是安全的。

5、檢查光耦是否能輸出低信號(hào)

為了獲得低信號(hào)，晶體管側(cè)必須飽和。要知道晶體管是否真的會(huì)飽和，我們使用以下公式：

( Ic / If ) < CTR 設(shè)備

飽和期間集電極電流的計(jì)算：

Ic = 5V / 2.4 kohm = 2.08 mA

Ic/If = 2.08mA/2.87mA = 72.47%

器件 CTR 為 80%，因此晶體管可能會(huì)飽和。為了保證硬飽和，可以給集電極電阻增加更多的余量，比如說在計(jì)算值上加上 50%。

電路能提供高邏輯嗎？可以，因?yàn)橐坏┮瞥?Udd，晶體管就會(huì)截止，Uout 節(jié)點(diǎn)將看到 Ucc 電平

四、光耦合器電路設(shè)計(jì)示例2-線性

提供電路值，使 Uout 節(jié)點(diǎn)具有 3V 電平。使用與上一示例相同的供應(yīng)水平和其他水平。

線性工作狀態(tài)

1、選擇射頻值

Rf > [ (Udd – Uf ) / ( 80% x I 額定值 ) ] = [ ( 5V – 0.7 ) / ( 80% x 4 mA ) ] = 1.34 kohm

我們可以將Rf 設(shè)置為1.5k 標(biāo)準(zhǔn)值。

2、求解 If

If = [ ( 5V – 0.7V ) / 1.5 kohm ] = 2.87 mA

3、確定 Rc

Rc = [ (Ucc –UCE ) / ( CRT x If ) ]

Uout 的指定電平為 3V 使得 UCE 等于 2V，所以

Rc = [ ( 5V – 2V ) / ( 80% x 2.87 mA) ] = 1.31 kohm

使用非常接近計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)值。在本例中，我們將使用 1.3kohm。

4、檢查

If = [ ( 5V – 0.7V ) / 1.5 kohm ] = 2.87 mA

Ic = CTR x If = 80% x 2.87 mA = 2.296 mA

Uout = Ic x Rc = 2.296 mA x 1.3 kohm = 2.984 V

結(jié)果U out 并不完全等于 3V，因?yàn)槲覀兪褂?1.3k 作為 Rc 值，而不是計(jì)算出的 1.31k。

你可以在光耦電路設(shè)計(jì)使用上述步驟。