光偶開(kāi)關(guān)特性分析及其改善續(xù)

1、光耦開(kāi)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(kāi)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(kāi)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，CHILTCH2:OTHimofFdelayhn】g為達(dá)到較快的開(kāi)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)

2、斷延時(shí)長(zhǎng)；2 .由于光耦的CTR范圍大，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:這種電路有效的避開(kāi)了光的導(dǎo)通壓降問(wèn)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(kāi)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，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，

3、當(dāng)輸出電阻（負(fù)載）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)O0R13有的“IIC.DATA”線路中已有運(yùn)用。Q112PS2561-13 3K3Q2012N2222A4 4O OR22R22uch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

4、（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，此時(shí)C1兩端電壓為零，C1由“+5v-s”通過(guò)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”至腐“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）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）,

5、從而導(dǎo)致響應(yīng)速度（關(guān)斷時(shí)問(wèn)T-OFF）慢。T-OFF=C-CB*hFE*RL。在實(shí)際的電路設(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 R10=330ohm。從這里也可以看出，Q2起到阻抗變換的作用參數(shù)計(jì)算:+5vR4R4220220+5vRLDATA-O/P103z4.99kdata-i/pD11N41481Q143R10PS2561-1330R5499data-o/p3匕Q22N2222ADATA-I/PPS2561-14 4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=49

6、9ohm。信號(hào)傳輸?shù)囊?當(dāng)晶體管Q2導(dǎo)通時(shí)，具集射極電壓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，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)圖1.1LoadResistanceRl(ohm)(2)0)尸61|一s2 .計(jì)算光耦的輸入電流If因?yàn)镻S2561的CTR范圍是130-260%從最壞的情況考慮，應(yīng)選擇C

7、TR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(jiàn)圖2） CTR隨著時(shí)間積累而改變 （10年，Ta=60degreR下降40%（參考0年的初始值）（見(jiàn)圖3）在各種室溫特性下CTR的相對(duì)值（Ta=60degree下降15%（參考Ta=25degree的初始值）考慮到上述情況及安全系數(shù)=1.2,CTR應(yīng)為130T.2*0.85*0.6=55.25%那么Ifmin=IoCTR=2.645.25%=4.8(mA)12X12CTRDEGRADATIONJusin一nd-n。P1J71一ELluozZ7-ffuvs6aQs6aQNOR

8、MALIZEDOUTPUTCURRENTvs.AMBIENTTEMPERATUREIc=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)Tc=(5-0.2-0.8)T8.2(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。3.其他重要參數(shù)設(shè)計(jì)由圖4,得R3(5-Vf)Tf=(5-1.2)F.8=790(ohm)

9、取R3=750ohm，則If=(5-1.2)H50=5mA要獲得較快的開(kāi)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：ForwardVottage.VF(Vj圖 4WE)oEwcFORWARDCURRENTvs.FORWARDVOLTAGECOLLECTORCURRENT.COlI.ECTORSATURATIONVOLTAGE10C2C.4匚60*1-0ColloctorSaturntiiCAVologo.(V)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:1CH1:I/p,CH2:O/P,TURNOFFDELAYTIME:1.960S41STOP12.QOVZ22,OOVZ11=BON.目LIS=9。4目。凸匕工1.9呂OUT1/凸七=SIO.2KHZCH1:I/P,CH2:O/P,TURN