光偶開關(guān)特性分析及其改善續(xù)

1、光耦開關(guān)特性分析及其改善摘 要 光耦作為隔離器件進(jìn)行信號(hào)傳輸，具有體積小，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)；但其開關(guān)速度慢的缺點(diǎn)影響著光耦的使用及電路的性能。本文提出一種改進(jìn)的單向傳輸?shù)墓怦詈想娐罚渖仙龝r(shí)間（包括導(dǎo)通延時(shí)），下降時(shí)間（包括關(guān)斷延時(shí)）都可控制在3us以內(nèi)。正 文原理分析： 光耦作為隔離器件進(jìn)行信號(hào)傳輸，具有體積小，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)；但其開關(guān)速度慢的缺點(diǎn)影響著光耦的使用及電路的性能。以下為舊的光耦傳輸電路及傳輸波形， 為達(dá)到較快的開關(guān)速度，設(shè)計(jì)時(shí)選擇光耦的工作狀態(tài)為臨界飽和狀態(tài)；因此，此電路存在以下缺點(diǎn)：1. 光耦導(dǎo)通時(shí)工作在臨界飽和狀態(tài)或飽和狀態(tài)，因此光耦關(guān)斷延時(shí)長(zhǎng) ；2. 由于光耦的ctr范圍大

2、，且溫度特性差，故設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)選擇困難，很容易使光耦進(jìn)入非飽和區(qū)。3. 光耦的ctr隨工作時(shí)間累積而減小，使光耦逐漸進(jìn)入放大工作區(qū)而導(dǎo)致信號(hào)傳輸失敗。4. 由于光耦的前極輸入電流if較大（約10ma），加快了光耦ctr的衰減速度，不利于光耦的壽命。針對(duì)以上缺點(diǎn)，進(jìn)行的改進(jìn)構(gòu)想及改進(jìn)后的電路：1. 在光耦輸出極增加如右圖所示的電流放大電路，當(dāng)光耦導(dǎo)通時(shí)三極管q1則處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。此電路在現(xiàn)有的“iic.data”線路中已有運(yùn)用。這種電路有效的避開了光的導(dǎo)通壓降問題，同時(shí)對(duì)輸出波形進(jìn)行整形。但為了同時(shí)得到較快的開通與關(guān)斷速度，參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)仍需考慮使光耦導(dǎo)通時(shí)工作在臨界飽和狀態(tài)。2. 根據(jù)光耦的特性，

3、當(dāng)輸出電阻（負(fù)載）不變，減小輸入電阻（i.e. 增大輸入電流if），光耦的導(dǎo)通速度越快，關(guān)斷速度越慢；反之，當(dāng)輸出電阻（負(fù)載）不變，增大輸入電阻（i.e. 減小輸入電流if），光耦的導(dǎo)通速度越慢，關(guān)斷速度越快。同樣，當(dāng)輸入電流if不變，減小輸出電阻（增大負(fù)載），光耦的關(guān)斷速度越快，導(dǎo)通速度越慢；反之，當(dāng)輸入電流if不變，而增大輸出電阻（減小負(fù)載），光耦的導(dǎo)通關(guān)斷越慢，導(dǎo)通速度越快。 因此能否找到一種簡(jiǎn)單的，能實(shí)現(xiàn) if導(dǎo)通初期較大，穩(wěn)態(tài)時(shí)小的電路。使用普通三極管的基極加速電路（r-c電路）就可以實(shí)現(xiàn)此功能，電路圖如下， 當(dāng)輸入信號(hào)“data-i/p”由高“1”到低“0”時(shí)，光耦之二極管導(dǎo)通，此

4、時(shí)c1兩端電壓為零，c1由“+5v-s”通過r1，“data-i/p”充電，初始電流較大 ，時(shí)間常數(shù)為t=r1*c1；當(dāng)光耦得到較大的輸入電流后，迅速導(dǎo)通。當(dāng) t=4*t 后，電容c1充電響應(yīng)完成，由r2維持光耦導(dǎo)通所需的較小的電流；當(dāng)輸入信號(hào)“data-i/p”由低“0” 到高“1”時(shí)，光耦在小電流輸入下關(guān)斷， 因此得到較快的關(guān)斷速度。（圖中二極管d1的目的：提供電容c1的快速的放電回路）。參數(shù)計(jì)算： 圖1：電路原理圖其中，光耦的等效電路如下： 通常,接點(diǎn)電容(c-cb)是很大的（大于20pf），從而導(dǎo)致響應(yīng)速度（關(guān)斷時(shí)間 t-off）慢。 t-off=c-cb*hfe*rl。 在實(shí)際的電路

5、設(shè)計(jì)中，c-cb和hfe是確定的，那么負(fù)載rl起主要作用。 在圖1.1中，可以看出負(fù)載與轉(zhuǎn)換時(shí)間之間的關(guān)系。 在這里，取r10330 ohm。從這里也可以看出，q2起到阻抗變換的作用。 圖1.1 load resistance rl (ohm)部分參數(shù)設(shè)計(jì)步驟:1. 計(jì)算光耦的輸出電流ic 為了達(dá)到較低的輸出阻抗,選取r5=499ohm。信號(hào)傳輸?shù)囊螅?dāng)晶體管q2導(dǎo)通時(shí)，其集射極電壓vce必須0.8v，于是有 i2=(5-vce)/r5=(5-0.8)/499=8.4(ma)可以假設(shè)q2的hfe 為最壞情況下（hfe=40），于是ib為 ib=i2/hfe=8.4/40=0.21(ma)同樣

6、，q2導(dǎo)通時(shí)vbe的最大值為0.8v，于是 i1=vbe/r10=0.8/330 (ohm)=2.4 (ma)因此,光耦輸出電流的最小值為 ic =i1+ib=2.6(ma)2 計(jì)算光耦的輸入電流if 因?yàn)閜s2561的ctr范圍是130-260%,從最壞的情況考慮，應(yīng)選擇ctr為130。通常，ctr隨著時(shí)間的積累和溫度的改變而減小。那么設(shè)計(jì)一個(gè)必須至少運(yùn)行十年的光耦電路，應(yīng)考慮這些因素： （見圖2） ctr 隨著時(shí)間積累而改變（10年，ta60 degree） 下降40（參考0年的初始值） （見圖3） 在各種室溫特性下ctr的相對(duì)值（ta=60 degree） 下降15（參考ta25 deg

7、ree 的初始值）考慮到上述情況及安全系數(shù)1.2,ctr應(yīng)為 1301.2*0.85*0.6= 55.25%圖3圖2那么ifmin=io ctr=2.6 55. 25%=4.8(ma) 圖43 其他重要參數(shù)設(shè)計(jì)由圖4，得 r3(5-vf)if =(5-1.2) 4.8=790(ohm)取r3=750ohm,則if=(5-1.2) 750=5ma。要獲得較快的開關(guān)速度，光耦必須工作在放大狀態(tài)，ic最大值計(jì)算如下：ic=if*ctrmax* 安全系數(shù)，取if=5.0ma, ctrmax=260% , 安全系數(shù)1.4, 那么ic=5.0* 260%*1.4=18.2(ma) 取vce=0.2v（最壞情況下）, 那么r4(5-vce-ve) ic =(5-0.2-0.8)18.2(ma)=267ohm,取r4=220ohm;注：在實(shí)際的調(diào)試中，可以調(diào)試r3，r4，r10，的獲得較滿意的效果，這里，可取r3=2kohm，r4=50ohm， r10=1kohm。 圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果：改善后光耦電路的關(guān)斷延時(shí)及導(dǎo)通延時(shí)分別為：1.960s,1.160s. 波形如下： ch1:i/p, ch2:o/p,turn off delay time :1.960s ch1:i/p,ch2:o/p,turn on delay time 1.