光半導(dǎo)體——光耦的特性及應(yīng)用

光耦的特性——CTR和觸發(fā)LED電流

在光耦應(yīng)用中，電流傳輸比CTR是一個(gè)非常重要的特性，晶體管耦合器的電流傳輸比是用輸出電流相對(duì)于輸入電流的放大率來(lái)表示的，比如晶體管h_FE。

電流傳輸比＝CTR＝I_C/I_E＝輸出（集電極）電流／輸入電流×100（%）

例如：當(dāng)輸出是I_F＝5mA時(shí)，得到I_C＝10mA。

CTR＝I_C ／I_F＝10mA／5mA×100（%）＝200%

在光耦特性中，觸發(fā)LED電流被指定用于執(zhí)行輸出開／關(guān)二進(jìn)制操作的產(chǎn)品，比如邏輯輸出的IC耦合器、光繼電器和可控硅輸出耦合器?！坝|發(fā)LED電流”是指“觸發(fā)狀態(tài)發(fā)生變化的LED電流”，I_FT, I_FH, I_FLH, I_FLH等用作符號(hào)。觸發(fā)LED電流是電路設(shè)計(jì)和使用壽命設(shè)計(jì)的重要項(xiàng)目。規(guī)格書中顯示的觸發(fā)LED電流表示了產(chǎn)品保證的電流值。為了穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證至少有觸發(fā)LED電流（最大值）流動(dòng)。

輸入LED電流I_F從0mA逐漸增大，如果輸出在1mA時(shí)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，則I_FT＝1mA。在下面的規(guī)格書中，將輸出切換到導(dǎo)通狀態(tài)所需的I_F最大值為3mA。

發(fā)光元件（LED）的光輸出會(huì)隨時(shí)間的推移而減弱。在光耦中，LED光輸出的老化變化比受光器件的老化變化更為明顯。因此，設(shè)計(jì)人員需要利用所采用的光耦的老化變化數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)發(fā)光等級(jí)的降低趨勢(shì)。設(shè)計(jì)人員將根據(jù)使用設(shè)備的使用環(huán)境和LED的總工作時(shí)間來(lái)計(jì)算LED的光輸出變化。必須將該值反映在LED正向電流（I_F）的初始值中。

如何使用光耦

我們以光電晶體管耦合器信號(hào)接口設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)一起探討光耦的應(yīng)用技巧。圖3顯示了使用光電晶體管耦合器將5V信號(hào)轉(zhuǎn)換為10V信號(hào)的接口電路實(shí)例。我們應(yīng)該如何設(shè)計(jì)LED輸入側(cè)的電阻R_IN和光電晶體管輸出側(cè)的電阻RL？我們應(yīng)該如何選擇光電晶體管耦合器的CTR？

第1步：設(shè)計(jì)LED輸入電流I_F及輸入側(cè)電阻R_IN

第2步：根據(jù)I_F和CTR計(jì)算輸出電流

第3步：設(shè)計(jì)輸出側(cè)電阻RL

第4步：檢查每個(gè)設(shè)計(jì)常數(shù)

圖3 DC5V與DC10V的接口電路

使用光耦“輸入電流”

第1步：設(shè)計(jì)LED輸入電流和輸入電阻R_IN。

光耦的輸入電流（I_F）將由（1）輸入電源電壓（5V），（2）限流電阻（R_IN）和（3）LED正向電壓（V_F）決定。根據(jù)規(guī)格實(shí)例，確定限流電阻和輸入電流（I_F）。

R_IN＝（V_CC-V_F）／I_F＝（5V-1.3V）／10mA＝370Ω

第2步：根據(jù)I_F和CTR計(jì)算光電晶體管的輸出電流。

光耦的輸出電流（I_C）值是多少？根據(jù)電流傳輸比（I_C／I_F）計(jì)算輸入電流（I_F）＝10mA時(shí)輸出電流（I_C）的變化。從I_C-I_F曲線上讀取I_F＝10mA時(shí)的I_C值，可以看到I_C＝20mA。這里，我們假設(shè)CTR基本上與I_F＝5mA時(shí)相同，則可以計(jì)算如下：

如果是GR等級(jí)（100%至300%）

I_C＝10mA（I_F）×100%至300%（CTR）＝10mA至30mA

接下來(lái)，我們用這里得到的I_C值來(lái)推導(dǎo)R_L。在這項(xiàng)計(jì)算中，設(shè)計(jì)R_L的值，使得V_CE即使在I_C值最小時(shí)也成為飽和電壓。

第3步：設(shè)計(jì)輸出側(cè)電阻R_L

根據(jù)輸出晶體管的I_C－V_CE特性確定R_L。為了用于信號(hào)傳輸，必須完全滿足連接到負(fù)載側(cè)的器件的“L”電平。

這里，我們?cè)O(shè)置V_CE＝0.3V作為目標(biāo)值。

當(dāng)R_L＝1kΩ時(shí)，I_F＝10mA，V_CE＝0.9V，這無(wú)法滿足目標(biāo)值。當(dāng)R_L＝2kΩ時(shí)，V_CE＝0.2V左右，這可以滿足目標(biāo)值。因此，選擇R_L＝2kΩ。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還必須考慮負(fù)載側(cè)的阻抗。

第4步：檢查每個(gè)設(shè)計(jì)常數(shù)
考慮工作溫度、速度、使用壽命設(shè)計(jì)、電阻公差等是否具有足夠的裕度。檢查的數(shù)據(jù)涉及溫度范圍方面的VF，CTR，允許電流等以及負(fù)載電阻相關(guān)的開關(guān)速度，暗電流的影響等。

特別的，在使用電偶時(shí)千萬(wàn)要注意確認(rèn)器件使用壽命，光耦的輸入LED光輸出會(huì)隨著時(shí)間的推移而減弱。必須確認(rèn)特性滿足要求，同時(shí)必須考慮器件在使用壽命目標(biāo)期間的退化趨勢(shì)。光耦的老化變化可以根據(jù)輸入電流（IF）和環(huán)境溫度來(lái)計(jì)算。