詳解光耦的重要參數(shù)——CTR值

1、詳解光耦的重要參數(shù)一一CTR值CTR :發(fā)光管的電流和光敏三極管的電流比的最小值。隔離電壓：發(fā)光管和光敏三極管的隔離電壓的最小值。光耦的技術(shù)參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降 VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR 輸入級(jí)與輸出級(jí)之間的絕緣電阻、 集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V（BR）CEO集電 極-發(fā)射極飽和壓降VCE（sat）。此外，在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下 降時(shí)間、延遲時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)。集電極-發(fā)射極電壓：集電極-發(fā)射極之間的耐壓值的最小值光耦什么時(shí)候?qū)?？什么時(shí)候截至?普通光耦合器的CTR-IF特性曲線呈非線性，在IF較小時(shí)的非線 性失真尤為嚴(yán)重，因此它不適合傳輸模擬信號(hào)。線性光

2、耦合器的CTR-IF特性曲線具有良好的線性度，特 別是在傳輸小信號(hào)時(shí)，其交流電流傳輸比 （ CTR衣IC/ IF）很接近于直流電流傳輸比 CTR值。因此，它適合傳輸模擬電 壓或電流信號(hào)，能使輸出與輸 入之間呈線性關(guān)系。這是其重要特性。電流傳輸比是光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來(lái)表示。當(dāng)輸出電 壓保持恒定時(shí)，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。采用一只 光敏 三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20%-300%如4N35），而pc817則為 80%- 160%臺(tái)灣億光（如EL817）可達(dá)50%600%這表明欲獲得同樣的輸出電 流,后者只需較小的輸入電流。因此，CTR參數(shù)與

3、晶體管的hFE有某種相似之處。使用光電耦合器主要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離，在設(shè)計(jì)電路 時(shí)，必須遵循下列所選用的光電耦合器件必須符合國(guó)內(nèi)和國(guó)際的有關(guān)隔離擊穿電 壓的標(biāo) 準(zhǔn);由臺(tái)灣億光生成生產(chǎn)的 EL817系列（如EL817B-F、EL817C-F）光耦合 器，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用地十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開關(guān)特性，其線性度差，適宜傳輸數(shù)字信號(hào)（高、低電平），可以用于單片機(jī)的輸出隔離；所選用的光 耦器件必須具有較高的耦合系數(shù)。IC® VCE=5V在開關(guān)電源的隔離中，以及設(shè)計(jì)光耦反饋式開關(guān)電源時(shí)必須正確選擇線性光耦合器的型號(hào)及參數(shù)，除了必須遵循普通光耦的選取原則外，還必須遵循下

4、列原則:1、推薦采用線性光耦合器，其特點(diǎn)是 CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整2、光耦合器的電流傳輸比（CTR）的允許范圍是50%- 200%這是因?yàn)楫?dāng)CTRV50時(shí)，光耦中的LED就需要較大的工作電流（IF>5.0mA），才能正?？刂茊?片開關(guān)電源IC的占空比，這會(huì)增大光耦的功耗。若 CTR>200%在啟動(dòng)電路或者 當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，有可能將單片開關(guān)電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。3、若用放大器電路去驅(qū)動(dòng)光電耦合器， 必須精心設(shè)計(jì)，保證它能夠補(bǔ)償耦合 器的溫度不穩(wěn)定性和漂移。以下是億光光電耦合器EL817的些參數(shù):Model No.Rank markCTR (%)ConditionEL

5、81750 to 600If = 5 mAVce=5VTa =259E7L50 to 100EL817A80 to 160EL817B130 to 260EL817C200 to 400EL817D300 to 600光耦是否可以近似看做成一個(gè)帶隔離功能的三級(jí)管呢?槽型光耦也 被工程技術(shù)人員稱作槽型光電開關(guān)或者對(duì)射式光電開關(guān)，也是以光 為媒體，由發(fā)光體與受光體間的光路遮擋或由反射光的光亮變化為信號(hào)， 檢測(cè)物 體的位置、有無(wú)等的裝置。槽型光耦也是由一個(gè)紅外線發(fā)射管與一個(gè)紅外線接 收管組合而成。它與接近開關(guān)同樣是無(wú)接觸式的， 受檢測(cè)體的制約少，且檢測(cè)距 離長(zhǎng)，應(yīng)用廣泛。1引言光耦作為一個(gè)隔離器件已

6、經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，無(wú)處不在。一般大家在初次接觸到光 耦時(shí)往往感到無(wú)從下手，不知設(shè)計(jì)對(duì)與錯(cuò)，隨著遇到越來(lái)越多的問(wèn)題，才會(huì)慢慢 有所體會(huì)。本文就三個(gè)方面對(duì)光耦做討論：光耦工作原理；光耦的 CTR概念；光耦的延時(shí)。 本討論也有認(rèn)識(shí)上的局限性，但希望能幫助到初次使用光耦的同事。1理解光耦光耦是隔離傳輸器件，原邊給定信號(hào)，副邊回路就會(huì)輸出經(jīng)過(guò)隔離的信號(hào)。 對(duì)于 光耦的隔離容易理解，此處不做討論。以一個(gè)簡(jiǎn)單的圖（圖.1 ）說(shuō)明光耦的工作： 原邊輸入信號(hào)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(dòng)發(fā)光二極管，使得副邊的光敏三極管導(dǎo)通，回路VCC RL產(chǎn)生lc,lc經(jīng)過(guò)RL產(chǎn)生Vo

7、ut，達(dá)到傳遞信號(hào)的目的。原邊副邊直接的驅(qū)動(dòng)關(guān)聯(lián)是 CTR（電流 傳輸比），要滿足lc < If*CTR。圖.1 o光耦一般會(huì)有兩個(gè)用途：線性光耦和邏輯光耦，如果理解？工作在開關(guān)狀態(tài)的光耦副邊三極管飽和導(dǎo)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(shí)lc<lf*CTR，此工作狀態(tài) 用于傳遞邏輯開關(guān)信號(hào)。工作在線性狀態(tài)的光耦，lc=lf*CTR，副邊三極管壓降 的大小等于 Vcc-lc*RL，Vout= lc*RL=（Vin-1.6V）/Ri * CTR*RL ，Vout 大小直 接與Vin成比例，一般用于反饋環(huán)路里

8、面（1.6V 是粗略估計(jì)，實(shí)際要按器件資 料，后續(xù)1.6V同）。對(duì)于光耦開關(guān)和線性狀態(tài)可以類比為普通三極管的飽和放大兩個(gè)狀態(tài)比較項(xiàng)目光耦刖一級(jí)電流O VccO VoiJTIcXf(=(Vinl. 6)/WRLO VccO VoirRVin o AVv-lb (=(Vin0. 6)/Ri)Ic W CTR+If理斛：If確崔，光喝制邊電流通逍大小確定，實(shí)際的k不能人于該通道理解：lb確崔.極管制邊電流通道人小確定，實(shí)際的Ic不能大于該通逍飽和/開關(guān)狀態(tài)豈Rl阻值大時(shí)，Vcc/R < CT+If光耦導(dǎo)通時(shí)，Vout二0 V當(dāng)Rt阻値大時(shí),Vcc/Rl < P * lb三極管導(dǎo)通時(shí)，Vo

9、ut 0 V放人/線性狀態(tài)當(dāng) Ri阻值小時(shí)，Vcc/It > CH?+If此時(shí).光構(gòu)別邊會(huì)提高光敏二扱管的導(dǎo)通壓降，限制實(shí)際的k在電流通道內(nèi)(Ic = CTR+If) o光耦導(dǎo)通時(shí),Voirt輸出大小與丫訕有線性關(guān)系"當(dāng)艮齟值小時(shí).Vcc/Rl > 9 * lb此時(shí)*二極管會(huì)提尚管頂降，尿制實(shí)際的Ic在電流通道內(nèi)(Ic = 5* lb).三極管導(dǎo)通時(shí)jout輸出大小j Vin有線性關(guān)系°所以通過(guò)分析實(shí)際的電路，除去隔離因素，用分析三極管的方法來(lái)分析光耦是一 個(gè)很有效的方法。此方法對(duì)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。2光耦CTR概要：1)

10、對(duì)于工作在線性狀態(tài)的光耦要根據(jù)實(shí)際情況分析；2) 對(duì)于工作在開關(guān)狀態(tài)的光耦要保證光耦導(dǎo)通時(shí) CTR有一定余量;3) CTR受多個(gè)因素影響2.1光耦能否可靠導(dǎo)通實(shí)際計(jì)算舉例分析，例如圖.1中的光耦電路，假設(shè)Ri = 1k,Ro = 1k, 光耦CTR= 50%光 耦導(dǎo)通時(shí)假設(shè)二極管壓降為1.6V，副邊三極管飽和導(dǎo)通壓降 Vce=0.4V。輸入信 號(hào)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(lái)算算：If = (Vi-1.6V)/Ri = 3.4mA副邊的電流限制：Ic '< CTR*lf = 1.7mA假設(shè)副邊要飽和導(dǎo)通，那么需要 Ic '

11、= (3.3V - 0.4V)/1k = 2.9mA ，大于電 流通道限制，所以導(dǎo)通時(shí)，Ic會(huì)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(dòng)能力小，只能 驅(qū)動(dòng)1.7mA的電流，所以光耦會(huì)增大副邊三極管的導(dǎo)通壓降來(lái)限制副邊的電流到 1.7mA。解決措施：增大If ;增大CTR減小Ic。對(duì)應(yīng)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(shè)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(jì)算：If = (Vi - 1.

12、6V)/Ri = 17mA 副邊電流限制 Ic ' < CTR*If = 8.5mA 遠(yuǎn)大于副邊飽和導(dǎo)通需要的電流(2.9mA)，所以實(shí)際Ic = 2.9mA 。所以，更改Ri后，Vout輸出3.3V的方波。開關(guān)狀態(tài)的光耦，實(shí)際計(jì)算時(shí)，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(shuō)明光耦能可靠導(dǎo)通。一般會(huì)預(yù)留一點(diǎn)余量(建議小于CTR的90%。工作在線性狀態(tài)令當(dāng)別論。2.2 CTR受那些因素影響上一節(jié)說(shuō)到設(shè)計(jì)時(shí)要保證一定 CTR余量。就是因?yàn)镃TR的大小受眾多因素影響， 這些因素之中既

13、有導(dǎo)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=25C/If=16mA時(shí)，范圍是(15%35%說(shuō)明8701這個(gè)型 號(hào)的光耦，不論何時(shí)/何地，任何批次里的一個(gè)樣品，只要在 Ta=25C/If=16mA這個(gè)條件下，CTR是一個(gè)確定的值，都能確定在15%35以內(nèi)。計(jì)算導(dǎo)通時(shí)，要以下限進(jìn)行計(jì)算，并且保證有余量。計(jì)算關(guān)斷時(shí)要以上限2) 殼溫影響：Ta=25C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(huì)工作在(-575C )下，此種情況下 CTR怎么確定？還是看8701的手冊(cè)：有Ta-CTR關(guān)系圖：從

14、圖中看出，以25度的為基準(zhǔn)，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/(- 575C)條件下，8701 的 CTR最小值是 15%*0.9 = 13.5%3) 受If影響。假設(shè)如果實(shí)際的If是3.4mA那么如何確定CTR在 lf=3.4mA / Ta=(- 575°C)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(gè)樣品做測(cè)試 得到的If-CTR曲線，實(shí)際只需要一個(gè)樣品的曲線即可。注：此圖容易理解為下限/典型/上限三個(gè)曲線，其實(shí)不然。大部分圖表曲線只是 一個(gè)相對(duì)關(guān)系圖，不能圖中讀出絕對(duì)的參數(shù)值。計(jì)算：選用最上面一條樣品曲線，由圖中查出，If=16mA 時(shí) CTR 大概 28%在 If=3.4mA 時(shí) CTR 大概在 46% 3.4mA 是 16mA時(shí)的46%/28% = 1.64倍； 所以，在 lf=3.4mA / (-575C)，CTR下限為 13