今天給大家分享的是光耦電路設計。

光耦電路的設計像設計 BJT 電路一樣。如果 BJT 有增益或者電流增益，那光耦合器就有 CTR 或電流傳輸比。

了解 CTR，并使用，那光耦合電路設計的就會變得容易。

一、什么是光耦合器的 CTR？

CTR 也就是電流傳輸比，是集電極與正向電流的比率，用%表示：

CTR = ( Ic / If ) x 100%

集電極電流是流向光耦合器晶體管側集電極的電流，另一方面，正向電流是流向光耦合器二極管側的電流。

基本上，二極管側通過器件電流傳輸比鏈接到晶體管側。在設計光耦合器電路設計時，也可以使用 KVL、KCL、歐姆定律等。

二、光耦合器電路設計步驟

1、選擇電路結構

在這個時候，盡量不要讓電路變得復雜，因此組件數量是越少越好。有兩個原因，第一，成本較低，第二組件越少，出故障率越低，可靠性也就越高。

假設將信號從初級側控制器傳輸到次級控制器，那電路就如下所示：

逆變器配置

上面這個電路配置是逆變器，如果你想要非反相信號，就使用下面這個電路結構。

同相配置

如果要使晶體管飽和，第一個電路通常是反相電路，如果將電路偏置為在線性區域工作，則 Uout 節點處的電壓可能高于 0 。第二個電路是同相配置，與 BJT 的共集電極配置相當，但由于存在基極電流，BJT 共集電極比該電路更為復雜。

2、選擇光耦合部件

光耦合器電路設計的下一步是選擇光耦合器部件，在這個過程中，你必須考慮你的需求。

• 如果你的應用是交換機，則比較選擇最低CTR較高的設備，

• 如果你的設備是線性的，你可以考慮使用點擊率范圍較小的應用程序，嚴格的點擊率將對應較小的變化。

• 如果電路要暴露再高溫環境下，最好選擇 CT受環境溫度影響不太大的光耦，光耦合器CTR會隨著溫度升高而降低。

例如下圖中，在100℃環境溫度下相對 CTR 會下降很多。

CTR和溫度之間的關系

如果電路使用的周期較長，最好還要考慮一下預期生命曲線。如下所示，隨著設備老化，點擊率會下降。

預期生命曲線

3、設置電路操作

這里必須要設計電路的工作點，為了使信息更豐富，可以參下面的電路。

設計電路的工作點

1）定義輸出電平

上述電路可以被配置為在線性或飽和區域工作。

飽和時，Uout 節點理想為零，但線性高于零但低于 Ucc。當二極管側沒有偏置時，Uout 的電平與 Ucc 相同。

• 因此，如果將電路設計為開關，則理想情況下，當光耦合器導通時，必須假設 UCE 或 Uout 為零。

• 如果應用是線性的，則必須在設計中使用的 Uout 節點中定義特定電平。

2）定義 Rf 值

你可以自由選擇該值。但是，在某些應用中需要注意。大多數時候，Udd 源自數字電路或設備，例如 MCU 或 DSP。如果是這樣，不能超過數字電路或設備的電流額定值的方式設置 Rf 值。對于 MCU 和 DSP，灌電流和源電流通常在 4mA 到 9mA 之間（其他一些可能會達到高于 9mA，在 Datasheet 中查看）。

假設額定電流最大僅為 4mA，則將實際正向電流最多設置為其 80%。所以 Rf :

If= (Udd – Uf) / Rf

Rf > (Udd – Uf)/(80% x I 額定值)

（Uf為光耦的正向電壓）

3）確定 Rc

定義 Rf 和正向電流后，即可確定 Rc 的值。

4）對于飽和度設置

( Ic / If ) < CTR 設備

Ic = (Ucc – UCEsat) / Rc

Rc > [ (Ucc –UCEsat ) / (CTR設備 x IF ) ]

5）對于線性設置

( Ic / If ) = CTR 設備

Ic = (Ucc – UCE) / Rc

Rc = [ ( Ucc – UCE ) / ( CTRdevice x If ) ]

三、光耦合器電路設計示例1-設計為開關

現在，應該上述光耦合器電路設計，為下面的電路提供值。

輸出應提供邏輯低電平和邏輯高電平。邏輯低電平是低于 0.8V 的任何電壓，而邏輯高電平等于 Ucc。

電源 Ucc 為 5V，由具有 4mA 拉電流和灌電流能力的 MCU 提供。光耦 CTR 為80%，二極管壓降為0.7V。

光耦合器電路設計示例

1、選擇射頻值

Rf = [ ( Udd –Uf ) / ( 80% x I rating ) ]

Rf > [ ( 5V – 0.7V ) / ( 80% x 4mA ) ] = 1.34 kohm

我們可以將 Rf 設置為1.5k 標準值。

2、求解 If

If = [ ( 5V – 0.7V ) / 1.5 kohm ] = 2.87 mA

3、確定 Rc

Rc > [ (Ucc – UCEsat ) / ( CTR x If ) ] = [ ( 5V – 0V ) / ( 80% x 2.87mA ) ] = 2.18 kohm

我們假設最壞情況下 UCEsat 等于 0。現在最終電路的是

最終電路

4、設計檢查

我們將驗證正向電流 If 是否不超過 MCU 的最大拉電流和灌電流。

If= [ ( 5V – 0.7V ) / 1.5 kohm ] = 2.87 mA

計算出的當前正向電流是安全的。

5、檢查光耦是否能輸出低信號

為了獲得低信號，晶體管側必須飽和。要知道晶體管是否真的會飽和，我們使用以下公式：

( Ic / If ) < CTR 設備

飽和期間集電極電流的計算：

Ic = 5V / 2.4 kohm = 2.08 mA

Ic/If = 2.08mA/2.87mA = 72.47%

器件 CTR 為 80%，因此晶體管可能會飽和。為了保證硬飽和，可以給集電極電阻增加更多的余量，比如說在計算值上加上 50%。

電路能提供高邏輯嗎？可以，因為一旦移除 Udd，晶體管就會截止，Uout 節點將看到 Ucc 電平

四、光耦合器電路設計示例2-線性

提供電路值，使 Uout 節點具有 3V 電平。使用與上一示例相同的供應水平和其他水平。

線性工作狀態

1、選擇射頻值

Rf > [ (Udd – Uf ) / ( 80% x I 額定值 ) ] = [ ( 5V – 0.7 ) / ( 80% x 4 mA ) ] = 1.34 kohm

我們可以將Rf 設置為1.5k 標準值。

2、求解 If

If = [ ( 5V – 0.7V ) / 1.5 kohm ] = 2.87 mA

3、確定 Rc

Rc = [ (Ucc –UCE ) / ( CRT x If ) ]

Uout 的指定電平為 3V 使得 UCE 等于 2V，所以

Rc = [ ( 5V – 2V ) / ( 80% x 2.87 mA) ] = 1.31 kohm

使用非常接近計算值的標準值。在本例中，我們將使用 1.3kohm。

4、檢查

If = [ ( 5V – 0.7V ) / 1.5 kohm ] = 2.87 mA

Ic = CTR x If = 80% x 2.87 mA = 2.296 mA

Uout = Ic x Rc = 2.296 mA x 1.3 kohm = 2.984 V

結果U out 并不完全等于 3V，因為我們使用 1.3k 作為 Rc 值，而不是計算出的 1.31k。

你可以在光耦電路設計使用上述步驟。