光偶开关特性分析及其改善续.docx
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光偶开关特性分析及其改善续
光耦开关特性分析及其改善
摘要
光耦作为隔离器件进行信号传输，具有体积小，价格便宜等优点；但其开关速度慢的缺点影响着光耦的使用及电路的性能。
本文提出一种改进的单向传输的光耦合电路，其上升时间（包括导通延时），下降时间（包括关断延时）都可控制在3us以内。
正文
原理分析：
光耦作为隔离器件进行信号传输，具有体积小，价格便宜等优点；但其开关速度慢的缺点影响着光耦的使用及电路的性能。
以下为旧的光耦传输电路及传输波形，
为达到较快的开关速度，设计时选择光耦的工作状态为临界饱和状态；因此，此电路存在以下缺点：
1.光耦导通时工作在临界饱和状态或饱和状态，因此光耦关断延时长；
2.由于光耦的CTR范围大，且温度特性差，故设计时参数选择困难，很容易使光耦进入非饱和区。
3.光耦的CTR随工作时间累积而减小，使光耦逐渐进入放大工作区而导致信号传输失败。
4.由于光耦的前极输入电流IF较大（约10mA），加快了光耦CTR的衰减速度，不利于光耦的寿命。
针对以上缺点，进行的改进构想及改进后的电路：
1.在光耦输出极增加如右图所示的电流放大电路，当光耦导通时三极管Q1则处于饱和导通状态。
此电路在现有的“IIC.DATA”线路中已有运用。
这种电路有效的避开了光的导通压降问题，同时对输出波形进行整形。
但为了同时得到较快的开通与关断速度，参数设计时仍需考虑使光耦导通时工作在临界饱和状态。
2.根据光耦的特性，当输出电阻（负载）不变，减小输入电阻（i.e.增大输入电流IF），光耦的导通速度越快，关断速度越慢；反之，当输出电阻（负载）不变，增大输入电阻（i.e.减小输入电流IF），光耦的导通速度越慢，关断速度越快。
同样，当输入电流IF不变，减小输出电阻（增大负载），光耦的关断速度越快，导通速度越慢；反之，当输入电流IF不变，而增大输出电阻（减小负载），光耦的导通关断越慢，导通速度越快。
因此能否找到一种简单的，能实现IF导通初期较大，稳态时小的电路。
使用普通三极管的基极加速电路（R-C电路）就可以实现此功能，电路图如下，
当输入信号“DATA-I/P”由高“1”到低“0”时，光耦之二极管导通，此时C1两端电压为零，C1由“+5v-s”通过R1，“DATA-I/P”充电，初始电流较大，时间常数为t=R1*C1；当光耦得到较大的输入电流后，迅速导通。
当T=4*t后，电容C1充电响应完成，由R2维持光耦导通所需的较小的电流；当输入信号“DATA-I/P”由低“0”到高“1”时，光耦在小电流输入下关断，因此得到较快的关断速度。
（图中二极管D1的目的：
提供电容C1的快速的放电回路）。
参数计算：
图1：
电路原理图
其中，光耦的等效电路如下：
通常,接点电容（C-CB）是很大的（大于20PF），从而导致响应速度（关断时间T-OFF）慢。
T-OFF=C-CB*hFE*RL。
在实际的电路设计中，C-CB和hFE是确定的，那么负载RL起主要作用。
在图1.1中，可以看出负载与转换时间之间的关系。
在这里，取R10＝330ohm。
从这里也可以看出，Q2起到阻抗变换的作用。
图1.1LoadResistanceRl（ohm）
部分参数设计步骤:
1.计算光耦的输出电流Ic
为了达到较低的输出阻抗,选取R5=499ohm。
信号传输的要求，当晶体管Q2导通时，其集射极电压Vce必须>0.8V，于是有
I2=（5-VCE）/R5=（5-0.8）/499=8.4（mA）
可以假设Q2的hFE为最坏情况下（hFE=40），于是Ib为
Ib=I2/hFE=8.4/40=0.21（mA）
同样，Q2导通时Vbe的最大值为0.8V，于是
I1=Vbe/R10=0.8/330（ohm）=2.4（mA）
因此,光耦输出电流的最小值为
Ic=I1+Ib=2.6（mA）
2．计算光耦的输入电流If
因为PS2561的CTR范围是130-260%,从最坏的情况考虑，应选择CTR为130％。
通常，CTR随着时间的积累和温度的改变而减小。
那么设计一个必须至少运行十年的光耦电路，应考虑这些因素：
（见图2）CTR随着时间积累而改变（10年，Ta＝60degree）
下降40％（参考0年的初始值）
（见图3）在各种室温特性下CTR的相对值（Ta=60degree）
下降15％（参考Ta＝25degree的初始值）
考虑到上述情况及安全系数＝1.2,CTR应为
130÷1.2*0.85*0.6=55.25%
那么Ifmin=Io÷CTR=2.6÷55.25%=4.8（mA）
图4
3．其他重要参数设计
由图4，得
R3<（5-Vf）÷If
=（5-1.2）÷4.8
=790（ohm）
取R3=750ohm,则If=（5-1.2）÷750=5mA。
要获得较快的开关速度，光耦必须工作在放大状态，Ic最大值计算如下：
Ic=If*CTRmax*安全系数，取If=5.0mA,CTRmax=260%,安全系数＝1.4,那么
Ic=5.0*260%*1.4=18.2（mA）
取Vce=0.2V（最坏情况下）,那么
R4<（5-Vce-Ve）÷Ic
=（5-0.2-0.8）÷18.2（mA）=267ohm,
取R4=220ohm;
注：
在实际的调试中，可以调试R3，R4，R10，的获得较满意的效果，这里，可取R3=2Kohm，R4=50ohm，R10=1Kohm。
图5
实验结果：
改善后光耦电路的关断延时及导通延时分别为：
1.960µS,1.160µS.波形如下：
CH1:
I/p,CH2:
O/P,TURNOFFDELAYTIME:
1.960µS
CH1:
I/P,CH2:
O/P,TURNONDELAYTIME1.160µS
电路改善的意义：
1.新电路对参数设计要求宽松，温度适应性强；
2.数据传输更准确；
3.可提高数据传输速率达30kHz；
4.光耦工作电流比原来电路小，可延长使用寿命；
5.
戴国峰、邓惠新
2001/01/08
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