电路中为什么要使用光耦器件?
电气隔离的要求。a与b电路之间,要进行信号的传输,但两电路之间由于供电级别过于悬殊,一路为数百伏,另一路为仅为几伏;两种差异巨大的供电系统,无法将电源共用;
a电路与强电有联系,人体接触有触电危险,需予以隔离。而b线路板为人体经常接触的部分,也不应该将危险高电压混入到一起。两者之间,既要完成信号传输,又必须进行电气隔离;
运放电路等高阻抗型器件的采用,和电路对模拟的微弱的电压信号的传输,使得对电路的抗干扰处理成为一件比较麻烦的事情——从各个途径混入的噪声干扰,有可能反客为主,将有用信号“淹没”掉;
除了考虑人体接触的安全,又必须考虑到电路器件的安全,当光电耦合器件输入侧受到强电压(场)冲击损坏时,因光耦的隔离作用,输出侧电路却能安全无恙。
以上四个方面的原因,促成了光耦器件的研制、开发和实际应用。光耦的基本作用,是将输入、输出侧电路进行有效的电气上的隔离;能以光形式传输信号;有较好的抗干扰效果;输出侧电路能在一定程度上得以避免强电压的引入和冲击。
光耦的使用
光耦主副边电阻的选择
假设我们现在设定,tlp521的电流是2ma,ctr(current transfer ratio)取50%,原边是24v, 副边 是3.3v,led压降是1.5v,算一下限流电阻和上拉电阻的大小:
r(led)=(24-1.5)/2=11.25k
取一个归一化的电阻值,10k
那么,i(led)=(24-1.5)/10=2.25ma
ic=2.25*0.5=1.125
rc=(3.3-vce)/1.12=2.9
vce是三极管的饱和压降,这里简化为0v;那么,还要考虑到充分的进入饱和状态,那么,可以取rc为近视的2倍,也就是5.1k;
一、光耦电阻选择
1、左边光耦输出的r13接几伏,应该是知道的,算出饱和时有多大电流。举例:假如r13接到12v(注意,这个条件将影响到下面所有的计算结果),光耦输出饱和压降忽略不 计,算得电流 i=12v/3.3kω=3.6ma。
2、查看tlp521的手册,可知该器件不挑档次的话最小变换效率为50%,因此为保证光耦被 驱动时饱和,右边的输入回路电流不得小于3.6ma/0.5=7.2ma。
3、查tlp521的手册,该器件发光二极管的最大正向压降是1.3v(10ma时),于是为保证 能以7.2ma以上的电流驱动,r14+r17≦(3.3v-1.3v)/7.2ma=0.28kω。
4、考虑电源波动和电阻精度的因素,实际r14+r17电阻取值建议为200ω以下
光耦的分类:
非线性光耦:4n系列,用来传输开关信号
线性光耦:pc817-c系列可用来传输模拟信号,如精密线性光耦til300。高速线性光耦6n135/6n136、6n137/6n138
功率型:达林顿光耦4n30
应用场合:传输隔离和开关隔离电路。
使用光耦隔离需要考虑以下几个问题:
① 光耦直接用于隔离传输模拟量时,要考虑光耦的非线性问题;
② 光耦隔离传输数字量时,要考虑光耦的响应速度问题;根据 光耦导通延时 tplh 和 光耦关断 延时 tphl来看是否满足速率要求,传输速率《1/(tplh + tpll)
③ 如果输出有功率要求的话,还得考虑光耦的功率接口设计问题。
如果vc/rc=2ma, 那么三极管进入了放大状态;功率型应该处于线性放大区 ic=if*ctr。
如果vc/rc=1ma, 那么三极管基本上进入饱和导通状态;
如果vc/rc=0.5ma,那么三极管肯定进入了饱和导通状态; 此时用来传递开关信号,此时 ic《if*ctr,若不满足则icc=if*ctr,。
开关状态的光耦,要保证电路正常工作的最大ic/if《90%ctr.
电流传输比ctr:随输入电流if变化,随其变化而变化,可看其曲线,从死区-线性区-饱和区。所以输入电流要小于if,且在线性区。
可以这样理解,输入端电流决定输出端电阻,但当输入超过5ma时输出已经达到饱和,所以设置输入端电阻让其电流小于5ma,,输出端带负载能力一般为100ma左右。
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