光半導(dǎo)體——光耦的特性及應(yīng)用

光耦的特性——CTR和觸發(fā)LED電流

在光耦應(yīng)用中，電流傳輸比CTR是一個非常重要的特性，晶體管耦合器的電流傳輸比是用輸出電流相對于輸入電流的放大率來表示的，比如晶體管h_FE。

電流傳輸比＝CTR＝I_C/I_E＝輸出（集電極）電流／輸入電流×100（%）

例如：當(dāng)輸出是I_F＝5mA時，得到I_C＝10mA。

CTR＝I_C ／I_F＝10mA／5mA×100（%）＝200%

在光耦特性中，觸發(fā)LED電流被指定用于執(zhí)行輸出開／關(guān)二進(jìn)制操作的產(chǎn)品，比如邏輯輸出的IC耦合器、光繼電器和可控硅輸出耦合器?！坝|發(fā)LED電流”是指“觸發(fā)狀態(tài)發(fā)生變化的LED電流”，I_FT, I_FH, I_FLH, I_FLH等用作符號。觸發(fā)LED電流是電路設(shè)計和使用壽命設(shè)計的重要項目。規(guī)格書中顯示的觸發(fā)LED電流表示了產(chǎn)品保證的電流值。為了穩(wěn)定運行，設(shè)計人員在設(shè)計時必須保證至少有觸發(fā)LED電流（最大值）流動。

輸入LED電流I_F從0mA逐漸增大，如果輸出在1mA時切換到導(dǎo)通狀態(tài)，則I_FT＝1mA。在下面的規(guī)格書中，將輸出切換到導(dǎo)通狀態(tài)所需的I_F最大值為3mA。

發(fā)光元件（LED）的光輸出會隨時間的推移而減弱。在光耦中，LED光輸出的老化變化比受光器件的老化變化更為明顯。因此，設(shè)計人員需要利用所采用的光耦的老化變化數(shù)據(jù)來估計發(fā)光等級的降低趨勢。設(shè)計人員將根據(jù)使用設(shè)備的使用環(huán)境和LED的總工作時間來計算LED的光輸出變化。必須將該值反映在LED正向電流（I_F）的初始值中。

如何使用光耦

我們以光電晶體管耦合器信號接口設(shè)計實例來一起探討光耦的應(yīng)用技巧。圖3顯示了使用光電晶體管耦合器將5V信號轉(zhuǎn)換為10V信號的接口電路實例。我們應(yīng)該如何設(shè)計LED輸入側(cè)的電阻R_IN和光電晶體管輸出側(cè)的電阻RL？我們應(yīng)該如何選擇光電晶體管耦合器的CTR？

第1步：設(shè)計LED輸入電流I_F及輸入側(cè)電阻R_IN

第2步：根據(jù)I_F和CTR計算輸出電流

第3步：設(shè)計輸出側(cè)電阻RL

第4步：檢查每個設(shè)計常數(shù)

圖3 DC5V與DC10V的接口電路

使用光耦“輸入電流”

第1步：設(shè)計LED輸入電流和輸入電阻R_IN。

光耦的輸入電流（I_F）將由（1）輸入電源電壓（5V），（2）限流電阻（R_IN）和（3）LED正向電壓（V_F）決定。根據(jù)規(guī)格實例，確定限流電阻和輸入電流（I_F）。

R_IN＝（V_CC-V_F）／I_F＝（5V-1.3V）／10mA＝370Ω

第2步：根據(jù)I_F和CTR計算光電晶體管的輸出電流。

光耦的輸出電流（I_C）值是多少？根據(jù)電流傳輸比（I_C／I_F）計算輸入電流（I_F）＝10mA時輸出電流（I_C）的變化。從I_C-I_F曲線上讀取I_F＝10mA時的I_C值，可以看到I_C＝20mA。這里，我們假設(shè)CTR基本上與I_F＝5mA時相同，則可以計算如下：

如果是GR等級（100%至300%）

I_C＝10mA（I_F）×100%至300%（CTR）＝10mA至30mA

接下來，我們用這里得到的I_C值來推導(dǎo)R_L。在這項計算中，設(shè)計R_L的值，使得V_CE即使在I_C值最小時也成為飽和電壓。

第3步：設(shè)計輸出側(cè)電阻R_L

根據(jù)輸出晶體管的I_C－V_CE特性確定R_L。為了用于信號傳輸，必須完全滿足連接到負(fù)載側(cè)的器件的“L”電平。

這里，我們設(shè)置V_CE＝0.3V作為目標(biāo)值。

當(dāng)R_L＝1kΩ時，I_F＝10mA，V_CE＝0.9V，這無法滿足目標(biāo)值。當(dāng)R_L＝2kΩ時，V_CE＝0.2V左右，這可以滿足目標(biāo)值。因此，選擇R_L＝2kΩ。在實際設(shè)計中，還必須考慮負(fù)載側(cè)的阻抗。

第4步：檢查每個設(shè)計常數(shù)
考慮工作溫度、速度、使用壽命設(shè)計、電阻公差等是否具有足夠的裕度。檢查的數(shù)據(jù)涉及溫度范圍方面的VF，CTR，允許電流等以及負(fù)載電阻相關(guān)的開關(guān)速度，暗電流的影響等。

特別的，在使用電偶時千萬要注意確認(rèn)器件使用壽命，光耦的輸入LED光輸出會隨著時間的推移而減弱。必須確認(rèn)特性滿足要求，同時必須考慮器件在使用壽命目標(biāo)期間的退化趨勢。光耦的老化變化可以根據(jù)輸入電流（IF）和環(huán)境溫度來計算。