光偶开关特性分析及其改善续.docx
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光偶开关特性分析及其改善续
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。
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(i.e.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,
当输入信号“DATA-I/P”由高“1”到低“0”时,光耦之二极管导通,此时C1两端电压为零,C1由“+5v-s”通过R1,“DATA-I/P”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”到高“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:
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=330ohm。
从这里也可以看出,Q2起到阻抗变换的作用。
图1.1LoadResistanceRl(ohm)
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=60degree)
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=60degree)
下降15%(参考Ta=25degree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%
那么Ifmin=Io÷CTR=2.6÷55.25%=4.8(mA)
图4
3.其他重要参数设计
由图4,得
R3<(5-Vf)÷If
=(5-1.2)÷4.8
=790(ohm)
取R3=750ohm,则If=(5-1.2)÷750=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)÷Ic
=(5-0.2-0.8)÷18.2(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。
图5
实验结果:
改善后光耦电路的关断延时及导通延时分别为:
1.960µS,1.160µS.波形如下:
CH1:
I/p,CH2:
O/P,TURNOFFDELAYTIME:
1.960µS
CH1:
I/P,CH2:
O/P,TURNONDELAYTIME1.160µS
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.
戴国峰、邓惠新
2001/01/08
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- 开关 特性 分析 及其 改善
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