光耦输入输出端匹配电阻计算(二)

光耦输⼊输出端匹配电阻计算(⼆)
整流桥堆光耦上下拉电阻选择
光耦合器(opticalcoupler,英⽂缩写为OC)亦称光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。
简易的说明原理:通过将传输的信号通过左侧的发光⼆极管转化为光信号,再由右侧光敏三极管将光信号转换为电信号。此处探究的是普通光耦(低速,⾮线性;是的,也就是最便宜的那种),⼀般的光耦隔离
电压约为6KV,也就是对于静电的抵抗能⼒(8KV及以上)不强,使⽤的时候还是需要考虑静电相关的保护措施。
调节光耦的上下拉电阻可以对光耦的电流转换率(CTR)的进⾏适配,在保证信号传输的时候有⾜够的CTR⽐率,保证三极管侧的电平能拉到底。在此基础上我们来看前后匹配电阻对信号传输的延迟情况。
*CTR:光耦⼆极管导通的时候,三极管侧流过的最⼤电流与⼆极管导通电流的⽐值(百分⽐)。
以下是使⽤光耦通讯的最基础(价格最低ヽ( ̄▽ ̄)و)的电路:
可以看到如上图所⽰的光耦,输⼊侧和输出侧采⽤的上拉电阻为510Ω,这对于使⽤这款光耦通讯来说是⼀个适合的阻值,不同的光耦存在着新能差异不能说所有的都适⽤。但是采⽤上图所⽰电路有⼀个问题,如下图所⽰:
黄⾊的为输⼊波形,绿⾊为输出波形,是的从时序上看输出波形相对输⼊延时了20us,这在对信号要求不⾼的场景是可以的。
但是对于通讯速率⼤于9600bps的通讯受到信号完整性的影响。这其中的原因是光耦内部的三极管等效为电容,和上拉电阻构成了RC电路,
这部分延迟就是源⾃于RC的充电效应(或者说是⽤来激活光耦内部三极管)。如上图所⽰,100us的信号经过光耦后变为约为80us的信号,
这是值得考虑的,尤其是信号的速率进⼀步提⾼的情况下,尤其是嵌⼊式领域MCU对于⾼电平的信号采集有⼀定的时间需求。通过变化光耦前后端的电阻,
再测算输出延迟时间,有以下结论*:
在⼀定范围内(光耦不烧毁),增⼤光耦⼆极管侧的电阻、或者减⼩三极管侧的上拉电阻都能使的输出波形的延迟减⼩。
那么有没有别的⽅式能够使得普通光耦摆脱上拉电阻下拉电阻的困扰?
有的,如下图,那就是使⽤光耦控制的三极管的通断,将上拉电阻降⾄100Ω左右,基本上此时的通讯能够保证2us内的延迟。
2us的延迟基本上已经接近⾼速光耦的状态了。
⾼速光耦TLP109——匹配电阻选取
现如今通讯速率越来越快的当下,普通光耦在单纯的只接电阻情况下,上升时间Tr有20us左右,这将⽆法适⽤于⾼速通讯。然⽽⾼速光耦在使⽤过程中若阻抗选取不当也会导致上升延迟过⼤,电平拉不到底等问题。
⾼速光耦TLP109内部构造如下图所⽰:
以下是⼀个简单使⽤的电路(C6不贴,除⾮⼲扰很⼤,信号宽度够且能忍受增加信号延迟):
参考⼿册给出的上升延迟为2us左右,下⾯列举⼀些问题。
R4/R7⽐值过⼤:
R4/R7⽐值过⼩:
当时的信号宽度只有4us不到,做了⼏组实验得出结论:
汽车空调电磁离合器A.当输⼊侧电阻为330Ω时,输出侧电阻应该选取1K~2.2K能保证输出的波形正确,能被检测到。
B.当输⼊侧电阻为1K时,输出侧电阻应该选取3K~8K能保证输出的波形正确,能被检测到。
1.增⼤输出侧电阻会减⼩上升时间(tr),但是增⼤的输出侧电阻也会增⼤下降时间(tf)。
2.过⼤的输出电阻会导致三极管的输出电压静态⼯作点过低,过⼩的输出侧电阻会导致光耦电流转换率(CTR)不⾜,导致三极管导通压降过⼤,输出低电平过⾼。
3.适度增⼤输⼊电阻,可以增⼤输出电阻的选取范围。
4.过⼤的输⼊电阻会导致电流转换率(CTR)不⾜,导致三极管导通压降过⼤,输出低电平过⾼。过⼩的输⼊电阻会导致静态时的噪声等因素会导致输出侧导通,⽆法传送信号。
5.输⼊侧⼀般不加电容,增加电容会起到滤波作⽤,出现类似R4/R7⽐值过⼩的图像效果(图没到)。
【上升时间、下降时间详见RC电路时间常数,三极管的输出电压静态⼯作点详见三极管静态⼯作点】
备注解释:
智能开关方案RC电路时间常数的计算
  假设有电源Vu通过电阻R给电容C充电,V0为电容上的初始电压值,Vu为电容充满电后的电压值,Vt为任意时刻t时电容上的电压值,那么便可以得到如下的计算公式:
  Vt = V0 + (Vu – V0) * [1 – exp( -t/RC)]
充电过程(上升时间):如果电容上的初始电压为0,则公式可以简化为:
  Vt = Vu * [1 – exp( -t/RC)]
放电过程(下降时间):当电容充满电后,将电源Vu短路,电容C会通过R放电,则任意时刻t,电容上的电压为:
  Vt = Vu * exp( -t/RC)
-t/RC充电过程(上升时间)放电过程(下降时间)
电阻R↑↑↓↑
电阻R↓↓↑↓
三极管静态⼯作点
三极管静态⼯作点是什么意思?
答;根据三极管的伏安特性,它分为截⽌区、放⼤区、饱和区。那么在电⼦放⼤电路中,要使三极管处于放⼤区能正常⼯作,就必须选择恰当的⼯作点。然⽽由于半导体三极的特性受温度的影响很⼤,环境温度的变化,就会引起三极管的特性曲线的移动,从⽽使原来的静态⼯作点发⽣偏移,严重时将使原来⼯作良好的放⼤器产⽣失真。所以在建⽴⼯作点时候,还必须考虑到如何稳定的问题。
下⾯先谈⼀谈静态⼯作的电压与电流的关系。
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ldc1314上图是三极管的伏安曲线与静态⼯作点的图。
当三极管没有讯号输⼊时,它已经有⼀定的Ueco和Ico(静态⼯作的电压与电流),这就是⼯作点的电压、电流。当有讯号输⼊时,⼯作点Q就随着讯号电压变化,沿着负载线上下移动,于是输出电压、电流,也
某科学的变速齿轮就是相应地改变。对于放⼤器来说,总是要求放⼤以后的波形和输⼊讯号的波形尽可能地相似。为了满⾜这个要求,就必须正确地选择⼯作点的位置。从图中分析可知,电源Ec和负载Rc确定之后,⼯作点Q的位
置就决定于Eb和偏流电阻Rb。通常Eb是借⽤Ec的。这样Q的位置就决定于Rb,改变Rb的数值,就改变了基极电流Ib,也就是调整了⼯作点的位置。Rb过⼤或过⼩,可能致使⼯作点位置进⼊⾮线牲区域,从⽽引
起输出波形的失真。例如在图1⼀1所⽰的电路中,Rb若增⼤到100KΩ时,其基极静态电流⼁bo=Eb/Rb=1V/100kΩ=10uA。静态⼯作点Q的位置就将下偏,如图1⼀1的Q点。显然,当输⼊讯号电压的负半周来到时
(见图1⼀1中曲线①),将会使⼀段基极偏流为零(见图1⼀1中曲线②),于是集电极也有⼀段近似
于零,接近所谓截⽌区(靠近横轴的阴影区),如图1⼀1曲线③所⽰,相应的这⼀段的集电极电压波形将为;
Uec=Ec⼀lcoRc 由于这⼀段的lco是⼀个定值,因此Uec也不再随Ic⽽变代,也成为⼀个定值。在图上表现为⼀段横的直线,如图1⼀1曲线④所⽰。
同理,如果Rb取得过⼩,使⼯作点位置过⾼,信号的正半周期进⼊饱和区,它会使正半周期产发截幅失真。
显然以上⼆种情况,都使输出波形失掉输⼊信号的本来⾯⽬,产发严重失真。这种现象是放⼤器所不希望的。因此为了使放⼤器避免失真,就必须恰当选择⼯作点Q的位置。
那么静态⼯作点电压Ueco和电流|co应选多少呢?对于输出讯号较⼤的情况下,静态⼯作点宜选在近直流负载线中⼼的位置,Ueco应略⼤于输出电压的最⼤值△Uecm;如图1-3所⽰
输出电压的最⼤值(变化幅度)为2V,则Uec选在2.5V。⼁co应略⼤于输出讯号电流变化的幅值△Icm;如图1⼀3的电路中△|cm为1mA则lco选在1.5mA附近。
应该指出,在输出讯号极⼩的情况下,Uceo和Ⅰco都不可选得太⼩。因为Ueo最⼩不能⼩于三极管的饱和电⽡Vces(三极管完全导通时,集电极与发射极之间的电压⼀般约为零点⼏伏);⽽lc最⼩不能⼩于三极管的穿透电流|ceo。

本文发布于:2024-09-22 04:27:25,感谢您对本站的认可!

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