光偶开关特性分析及其改善.docx

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Q1220~1 ~* <~4~3 1 2R10 >330PS2561-12N2222A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 仏 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，此时C1两端电压为零，C1由“+5v-s”通过Rl，“DATAW 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”至U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Cl-2■— — — | ———IB<■ E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=330 ohm从这里也可以看出，Q2起到阻抗变换的作用图 1.1Load Resistance Rl (ohm)(srf)血UJF 6匚一上O七劳S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=60 degree）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=60 degree）下降15%（参考Ta=25 degree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%CTR DEGRADATION图2Tn», HrOs ID a a4 zQ Q.Qzlo-d图3NORMALIZED OUTPUT CURRENT vs. AMBIENT TEMPERATUREAmbient 7H riparalure:TA(*C).A.6 o.o.丿 空 Do.o.那么 Ifmin=Io m CTR=2.6 m 55. 25%=4.8(mA)FORWARD CURRENT vs. FORWARD V0L7AGE-orwsrc Vol:ag&. Vi- {V)图4〔VULj- j-y-H-uno」2De-pCJCOLLECTOR CURRENT vt. COLL^CTOF% SATURATION VOLTAGE3． 其他重要参数设计由图 4，得R3〈(5-Vf)mlf= (5-1.2) m4.8=790(ohm)取 R3=750ohm,则 If= (5-1.2) m750=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) mlc=(5-0.2-0.8) ml8.2(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：1.960yS,1.160yS.波形如下：tl - 942.6us. tE - 944.6us. 凸t - 1.960us 巴t - 510.2kH^CH1:I/p, CH2:O/P,TURN OFF DELAY TIME :1.960jlS4- 9斗1宜 迂.00宜/抚£T肿图5.Jti 二 1.144ms t2 = 1・145ms At = 1・160us 1/凸t 二 862・1 kHzCH1:I/P,CH2:O/P,TURN ON DELAY TIME 1.16QS戴国峰、邓惠新2001/01/08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.。