4N25光耦合器：簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路

介紹

4N25是一款6引腳光電晶體管耦合器。本文根據(jù)其傳動(dòng)特性介紹了 4N25 的非線性和線性應(yīng)用。

4N25概述

光電耦合器4N25的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1.4N25內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

該芯片為雙列直插式器件，外引線為6根，輸入端發(fā)光二極管由發(fā)光二極管組成。

當(dāng)器件Ta=25°C時(shí)，其極限參數(shù)為：

1.LED的正向電流為80mA;

2.光電晶體管設(shè)定光束電壓為30V;

3.總功耗為250mW;

4.輸入輸出之間的絕緣耐壓為2500VDC;

5.工作溫度-55°C~100°C。

4N25傳輸特性

當(dāng)電路中的電源電壓為Vcc=5V，集電極電阻Rc=1kΨ且基極開路時(shí)，通過光電耦合器4N25的在線測(cè)試，數(shù)據(jù)如表1所示。

其傳輸功能具有以下特點(diǎn)：

當(dāng)輸入電流IF=0時(shí)，輸出電流IS=0。表示發(fā)光二極管不發(fā)光，光電晶體管在沒有光的情況下被切斷;

當(dāng)輸入電流IF=0.5mA時(shí)，輸出電流IC=0.22mA，IF>IC。表示發(fā)光二極管已經(jīng)開始發(fā)光，光電晶體管光線較弱，不在截止區(qū)域;

當(dāng)輸入電流IF為1~4mA時(shí)，輸出電流IC為0.7~4.19mA，IF

當(dāng)輸入電流IF=4.5mA時(shí)，輸出電流IC=4.4mA，IF>IC。結(jié)果表明，當(dāng)IF增加到一定程度時(shí)，IC不能繼續(xù)線性變化。之后，電流傳輸比下降，光電耦合器開始進(jìn)入飽和狀態(tài)。

從上面的分析可以看出，中頻的大小決定了電路的工作狀態(tài)。如果IF太大或太小，電路在輸出特征的非線性區(qū)域工作。僅在一定范圍內(nèi)，它工作在輸出要素的線性區(qū)域

4N25應(yīng)用電路

由光電耦合器4N25組成的應(yīng)用電路如圖2所示。

1. R1是直流偏置電阻。R1用于調(diào)節(jié)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。確定電路IF和VF后，R1的電阻取決于偏置VI的值，即R1=（VI-VF）/IF。在公式中，VI的值必須至少是VF的2倍。

2. R2是集電極電阻。輸出信號(hào)由R2輸出。R2的電阻選擇與輸入信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力有關(guān)。驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，阻力可以更小。相反，電阻值可以更大，一般可以選擇幾百到幾千Ψ之間。

3. R3是基極分流電阻。R3用于改變對(duì)入射光的靈敏度，以提高電路的動(dòng)態(tài)性能，提高信號(hào)傳輸質(zhì)量。其值一般在幾百kΨ左右。

4. C1是耦合電容。C1起到阻斷直接通信的作用，其值由信號(hào)的基頻決定，一般在幾十微法拉左右。

 4N25非線性應(yīng)用

圖2.4N25應(yīng)用電路

從圖2所示的電路來看：

如果直流偏置電阻R1的電阻選擇較大，則輸入靜態(tài)工作電流IF較小。此時(shí)，發(fā)光二極管處于略微導(dǎo)通狀態(tài)。

然后，當(dāng)輸入信號(hào)低時(shí)，輸出集電極電流IC也很小，集電極到****極電壓UCE最大，輸出信號(hào)高。

相反，當(dāng)輸入信號(hào)處于高電平時(shí)，發(fā)光二極管工作電流IF最大，輸出集電極電流IC也最大，集電極-****極電壓UCE最小，輸出信號(hào)處于低電平。

如果輸入是連續(xù)數(shù)字信號(hào)，則電路工作在飽和和截止?fàn)顟B(tài)，輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)的高低電平變化而變化，相位相反，幅值由電源電壓Vcc的大小決定。

當(dāng)電路處于非線性應(yīng)用中時(shí)，輸入可以有2種驅(qū)動(dòng)模式：

1.有偏見的間接驅(qū)動(dòng)。也就是說，輸入信號(hào)通過耦合電容添加。

2.無偏置直流驅(qū)動(dòng)。即不使用R1和C1，輸入信號(hào)直接通過限流電阻添加。

兩種驅(qū)動(dòng)電路的區(qū)別在于，前者要求輸入信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力較弱，而后者要求輸入信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)。

在光電耦合器4N25的非線性應(yīng)用中，基極分流電阻R3的值對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響較大。

它的值不能太小或太大。

太小不利于目前的轉(zhuǎn)移率。因?yàn)樗鼤?huì)延長(zhǎng)光電晶體管的飽和過程，所以輸出波形下降沿的底部會(huì)變慢。

太大不利于光電晶體管的快速切斷。因?yàn)椋鼤?huì)導(dǎo)致輸出波形上升沿的頂部變慢。

因此，R3的電阻必須適當(dāng)。R3電阻對(duì)輸出波形的影響如圖3所示。

圖3.R3電阻對(duì)輸出波形的影響

4N25線性應(yīng)用

在圖2所示電路中，如果選擇直流偏置電阻R1，則輸出端光電晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓UCEQ正好位于負(fù)載線線性區(qū)域的中點(diǎn)。

然后，當(dāng)電路動(dòng)態(tài)工作時(shí)，當(dāng)輸入正弦波信號(hào)大小合適時(shí)，電路中每個(gè)點(diǎn)的電壓和電流將基于靜態(tài)工作點(diǎn)。

UF=UFQ+uiSinwt

UCE=UCEQ+UceSin（wt-180°），或

IF=IFQ+IfSinwt

IC=ICQ+IcSinwt

發(fā)生與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的變化。

可以看出，靜態(tài)工作點(diǎn)是電路線性工作的保證。

當(dāng)電源電壓Vcc=5V，集電極電阻R2=1kΨ時(shí)，合格測(cè)試電路具有以下特點(diǎn)：

1.當(dāng)輸入正弦波信號(hào)頻率f=1kHz，Ui=10mV時(shí)，最大不失真輸出電壓Uo=812mV。可以看出，該電路具有一定的放大能力。

2.從輸入和輸出波形的比較中，電路可以明顯抑制疊加在輸入波形中的噪聲干擾，使輸出波形變得平滑穩(wěn)定，提高輸出信噪比。

3.如果改變輸入信號(hào)的頻率，當(dāng)電路放大因數(shù)下降到0.707倍時(shí)，上限頻率fh=30kHz，下限頻率fl=30Hz?？梢钥闯?，該電路具有更寬的振頻特性。

結(jié)論

在非線性應(yīng)用中，光電耦合器4N25是高電平和低電平信號(hào)，因?yàn)殡娐返妮斎牒洼敵龆际歉唠娖胶偷碗娖?。因此，無需設(shè)置或設(shè)置較低的靜態(tài)工作點(diǎn)，電路工作在非線性狀態(tài)。在線性應(yīng)用中，因?yàn)樾盘?hào)傳輸時(shí)沒有失真。因此，應(yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)工作的要求設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路以線性狀態(tài)工作。此外，電路的輸入輸出交直流電路不能共享接地，否則將失去其應(yīng)用功能。