【模电】0005 光耦的使用
光耦一般用于信号的隔离。当两个电路的电源参考点不相关时,使用光耦可以保证在两边不共地的情况下,完成信号的传输。
1)光耦的基本原理
光耦的原理图如下所示,其内部可以看做一个特殊的“三极管”;一般的三极管是通过基极B和发射极E间的电流,去控制集电极C和发射极E间的电流;而光耦可以看做是用输入端的发光管的光强度在控制输出端的电流;而输入端的发光管是个二极管,也就是用输入端的电流去控制输出端的电流,功能上和三级管是等效的,而由于中间的控制是靠光传输,所以输入端和输出端可以没有固定的电压差,也即相互隔离。
和三极管的特性一样,光耦可以传输模拟信号也可以传输数字信号;也有饱和区、放大区、截止区。
2)光耦的典型应用电路
我们还是先考虑光耦传输数字信号,类似与三极管的开关特性,如下图:
输入端加入5V的方波脉冲,经过限流电阻后输入光耦的输入端;发光二极管会周期性地导通、截止;输出端使用和三极管类似共射级的接法,从集电极输出;和共射极三极管电路类似,光耦的输出也会反相。
当输入高电平,二极管发光,光耦的3、4脚导通,那么R2上有电流通过,如果光耦达到饱和状态,R2上压降接近输出端的电压,3、4间的电压很低(只有0.x伏),即输出低电平;当输入低电平,二极管截止不发光,3、4不导通,输出端电压被拉高的电源附近,即输出高电平。由此可见该电路实现了反相器的作用。
(由于仿真软件需要固定的电平才能运行和显示,这里仿真图中输入和输出是共地的,实际上大多数实际应用中,输入和输出是两个不相关的电源,正因为要保证隔离,才会使用光耦)
3)光耦的参数选择和电路设计
选择光耦时,需要关注输入参数、输出参数、传输比等等,我们以TL521光耦为例,如果需要设计一个隔离的数字信号传输电路,两边的电平都为5V,按如下步骤设计:
TL521光耦的一些参数如下
首先,关注输入端,可以看到其输入工作电流为几mA至25mA,输入压降在10mA时为1V~1.3V,那么我们选择输入端的电阻,使得它导通时为10mA左右就能达到比较好的工作状态,那么输入电阻取:
R = (5V-1.2V)/10mA = 380Ω
其次,需要关注一个很重要的参数,电流传输比,即上图中的 Current Transfer Ratio,这个参数对于不同的光耦有很大不同,它表征的是:输出端的电流 比 输入端的电流。当然这个值只是在放大区有效,和三极管类似,表征了输出端可能达到的最大电流时的比值。
由于我们是用作传输数字信号,所以只用关注光耦的截止区和饱和区;截止比较好说,输入端无输入时,输出端必然截止;而什么时候饱和呢?这取决于输出端的电压和电阻。
我们先计算输出端可能达到的电流,当输入端为10mA时,该光耦的传输比最小为50%,也即输出端在外部电路合适的情况下,最小也有输出10mA*50% = 5mA 的能力。所以,为了保证输入端有电压时输出端进入饱和区,则需要的输出端电阻最小为:
R = 5V / 5mA = 1kΩ
当电阻更大时,导通时电阻上的压降更大,就更容易进入饱和区。
仿真的图形如下,输入和输出同相。
注意这个电路形式,输出端电阻接到了发射极,类似三极管的共集电极电路(射极输出电路)。
除了上面说的一些设计方法,在实际应用时,还需要关注输出端的最大电压、传输的速率等等一些参数;此外,光耦的这些参数,与温度相关性较大,要查阅数据手册里的图表来确定各种参数和温度之间的关系。这里就不展开讲了。
4)光耦的保护电路
实际使用时,一般光耦的输入端需要加一些保护电路,以免输入信号异常导致光耦损坏,下图是一个典型的光耦输入保护电路:
相比与基本的光耦隔离电路,它多了一个反向二极管、一个电容、一个电阻。
反向并联的二极管是用于防止输入信号接反是,损坏光耦内部的发光二极管(一般光耦的输入反向耐压为5V),接入该二极管后,如果有反向电压输入,此二极管会将反向电压限制在1V以内。
并联的电容用于滤波,如果输入信号有高频干扰,并联的电容和串联的限流电阻会形成一个RC低通滤波器的效果,滤除较高频率的干扰;但是接入电容后,会使得传输的信号变慢。
并联的电阻,一方面可以去除一些干扰,使得较低电压的干扰信号输入不会使得光耦导通;另一方面,电阻可以加快电容的放电时间,这样可以减弱接入电容后信号变慢的影响。
5)光耦隔离模拟信号
光耦的特性和三极管很像,它即可以工作在截止区和饱和区隔离数字信号,也可以工作在放大区用于隔离模拟信号,如下图:
图中使用的是HCNR201光耦,这种光耦具有特殊的性质,它有一个输入端,两个输出端;两个输出端的特性高度一致,即输入端有电流流过时,在两个输出端产生的输出电流也 一样。
利用这个特性,将一路输出用于反馈给输入端,一路输出到隔离端,可以实现模拟信号的隔离。
该图的分析过程如下:
首先,判定运放是否在负反馈,当运放输出电压变大时,光耦发光二极管电流变大,输出端电流也变大,R6电流变大,运放负端输入电压升高,这会使得运放输出变小,所以是负反馈;
其次,由于运放的虚短特性,R6上的电压和输入信号源的电压相等;
最后,由于光耦的两个输出端状态一致,输出的电流相等,则R7上产生的压降和R6上的压降也相等,也即R7上的电压等于输入电压,以此实现模拟信号的隔离。
由仿真图可以看出,R6上的信号变化与信号源输入一致,R7上输出的信号也与它们一致。
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