认识光耦的CTR，掌握光耦电路设计

今天给大家分享的是光耦电路设计。

   光耦电路的设计像设计 BJT 电路一样。如果 BJT 有增益或者电流增益，那光耦合器就有 CTR 或电流传输比。了解 CTR，并使用，那光耦合电路设计的就会变得容易。
一、什么是光耦合器的 CTR？

   CTR 也就是电流传输比，是集电极与正向电流的比率，用%表示：

CTR = ( Ic / If ) x 100%

   集电极电流是流向光耦合器晶体管侧集电极的电流，另一方面，正向电流是流向光耦合器二极管侧的电流。



光耦合器电路

   基本上，二极管侧通过器件电流传输比链接到晶体管侧。在设计光耦合器电路设计时，也可以使用 KVL、KCL、欧姆定律等。
二、光耦合器电路设计步骤

1、选择电路结构

   在这个时候，尽量不要让电路变得复杂，因此组件数量是越少越好。有两个原因，第一，成本较低，第二组件越少，出故障率越低，可靠性也就越高。

   假设将信号从初级侧控制器传输到次级控制器，那电路就如下所示：

逆变器配置

   上面这个电路配置是逆变器，如果你想要非反相信号，就使用下面这个电路结构。



同相配置

   如果要使晶体管饱和，第一个电路通常是反相电路，如果将电路偏置为在线性区域工作，则 Uout 节点处的电压可能高于 0 。第二个电路是同相配置，与 BJT 的共集电极配置相当，但由于存在基极电流，BJT 共集电极比该电路更为复杂。
2、选择光耦合部件

   光耦合器电路设计的下一步是选择光耦合器部件，在这个过程中，你必须考虑你的需求。

如果你的应用是交换机，则比较选择最低CTR较高的设备，

如果你的设备是线性的，你可以考虑使用点击率范围较小的应用程序，严格的点击率将对应较小的变化。

如果电路要暴露再高温环境下，最好选择 CT受环境温度影响不太大的光耦，光耦合器CTR会随着温度升高而降低。

   例如下图中，在100℃环境温度下相对 CTR 会下降很多。



CTR 和温度之间的关系

   如果电路使用的周期较长，最好还要考虑一下预期生命曲线。如下所示，随着设备老化，点击率会下降。



预期生命曲线
3、设置电路操作

   这里必须要设计电路的工作点，为了使信息更丰富，可以参下面的电路。

设计电路的工作点
1）定义输出电平

   上述电路可以被配置为在线性或饱和区域工作。

   饱和时，Uout 节点理想为零，但线性高于零但低于 Ucc。当二极管侧没有偏置时，Uout 的电平与 Ucc 相同。

因此，如果将电路设计为开关，则理想情况下，当光耦合器导通时，必须假设 UCE 或 Uout 为零。

如果应用是线性的，则必须在设计中使用的 Uout 节点中定义特定电平。

2）定义 Rf 值

   你可以自由选择该值。但是，在某些应用中需要注意。大多数时候，Udd 源自数字电路或设备，例如 MCU 或 DSP。如果是这样，不能超过数字电路或设备的电流额定值的方式设置 Rf 值。对于 MCU 和 DSP，灌电流和源电流通常在 4mA 到 9mA 之间（其他一些可能会达到高于 9mA，在 Datasheet 中查看）。

   假设额定电流最大仅为 4mA，则将实际正向电流最多设置为其 80%。所以 Rf :

If= (Udd – Uf) / Rf

Rf > (Udd – Uf)/(80% x I 额定值)

（Uf为光耦的正向电压）
3）确定 Rc

   定义 Rf 和正向电流后，即可确定 Rc 的值。
4）对于饱和度设置

( Ic / If ) < CTR 设备

Ic = (Ucc – UCEsat) / Rc

Rc > [ (Ucc –UCEsat ) / (CTR设备 x IF ) ]
5）对于线性设置

( Ic / If ) = CTR 设备

Ic = (Ucc – UCE) / Rc

Rc = [ ( Ucc – UCE ) / ( CTR设备 x If ) ]
三、光耦合器电路设计示例1-设计为开关

   现在，应该上述光耦合器电路设计，为下面的电路提供值。输出应提供逻辑低电平和逻辑高电平。逻辑低电平是低于 0.8V 的任何电压，而逻辑高电平等于 Ucc。

   电源 Ucc 为 5V，由具有 4mA 拉电流和灌电流能力的 MCU 提供。光耦 CTR 为80%，二极管压降为0.7V。



光耦合器电路设计示例
1、选择射频值

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

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

我们可以将 Rf 设置为1.5k 标准值。
2、求解 If

If = [ ( 5V – 0.7V ) / 1.5 kohm ] = 2.87 mA
3、确定 Rc

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

   我们假设最坏情况下 UCEsat 等于 0。现在最终电路的是



最终电路
4、设计检查

   我们将验证正向电流 If 是否不超过 MCU 的最大拉电流和灌电流。

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

   计算出的当前正向电流是安全的。
5、检查光耦是否能输出低信号

   为了获得低信号，晶体管侧必须饱和。要知道晶体管是否真的会饱和，我们使用以下公式：

( Ic / If ) < CTR 设备

   饱和期间集电极电流的计算：

Ic = 5V / 2.4 kohm = 2.08 mA

Ic/If = 2.08mA/2.87mA = 72.47%

   器件 CTR 为 80%，因此晶体管可能会饱和。为了保证硬饱和，可以给集电极电阻增加更多的余量，比如说在计算值上加上 50%。

   电路能提供高逻辑吗？可以，因为一旦移除 Udd，晶体管就会截止，Uout 节点将看到 Ucc 电平
四、光耦合器电路设计示例2-线性

   提供电路值，使 Uout 节点具有 3V 电平。使用与上一示例相同的供应水平和其他水平。



线性工作状态
1、选择射频值

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

我们可以将Rf 设置为1.5k 标准值。
2、求解 If

If = [ ( 5V – 0.7V ) / 1.5 kohm ] = 2.87 mA
3、确定 Rc

Rc = [ (Ucc –UCE ) / ( CRT x If ) ]

Uout 的指定电平为 3V 使得 UCE 等于 2V，所以

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

   使用非常接近计算值的标准值。在本例中，我们将使用 1.3kohm。
4、检查



电路检查

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

   结果U out 并不完全等于 3V，因为我们使用 1.3k 作为 Rc 值，而不是计算出的 1.31k。

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