EL817光耦一般用于开关电路
光电耦合组件是以光作为媒介来传输信号的一种组件,主要功能是让输入及输出电路之间,可以通过隔离的方式传送电信号,光电耦合组件(英语:Optical coupler,或英语:Photocoupler),亦称光耦合器、光隔离器以及光电隔离器,简称光耦。在两个不共地的电路之间传送信号,即使两电路之间有高压也不会互相影响,提高其抗干扰能力和可靠度及稳定性,可用于开关设备,或用在两个需要隔离装置之间的数据传输。
1. 光耦EL817电气特性
1.1 电流传输比(Current Transfer Ratio , CTR)
电流传输比(CTR)的定义为输出电流和输入电流的比值Ic/If的百分比,主要用来评估负载电阻值的选用,量测方式如图 1 所示。
1.2 电压准位
在数字逻辑中,可以用 0 或 1 来表示所有的讯号,𝑉𝑂H和𝑉𝑂𝐿 在提供接收端 1 和 0 的电压值,𝑉IH和𝑉IL 则在限制接收端判断 1 和 0 的下限和上限电压值,如图 2 所示。
1.3 饱和电压VCE(set)
一般光耦的输出级为 Photo transistor,作为开关应用时,必须设计在饱和或截止区工作,当进入饱和区后,𝑉CE 两端的电压称为饱和电压(𝑉CE(set) ),如图 3 所示,在规格书中可以找到(𝑉CE(set)) )测试参数
2.光耦EL817输入端控制方式
2.1 GPIO(General-purpose input/output)控制
如图4所示,以 GPIO 控制输入端,GPIO 和 Vin 需为相同电压才能关闭。计算公式如下。
𝐼F = (𝑉𝑖𝑛 −𝑉F )/ 𝑅𝑖𝑛; 𝑅𝑖𝑛 = (𝑉𝑖𝑛 −𝑉F )/ IF
2.2 晶体管(BJT, bipolar junction transistor)驱动
如图5所示,以 GPIO 控制 NPN 晶体管开启或关闭,晶体管为电流控制组件,因此需要串接 RB 电阻控制IB 电流,以确保晶体管在截止和饱和区工作,计算公式如下。
𝐼 F = (𝑉𝑖𝑛 −𝑉F −𝑉CE )/𝑅𝑖𝑛 ; 𝑅𝑖𝑛 = (𝑉𝑖𝑛 −𝑉F −𝑉CE)/ IF
2.3 MOSFET(metal–oxide–semiconductor field-effect transistor)驱动
如图6所示,以 GPIO 控制 N-MOS 开启或关闭,MOSFET 为电压控制组件,一般会使用两电阻分压RG/(R1+RG)来控制 VGS 电压,当 VGS>Vth 时,即可开启 N-MOS,当达到(VDS>VGS-Vth)条件时,则会进入饱和区,以达到饱和开关功能,计算公式如下。
𝐼F = (𝑉𝑖𝑛 −𝑉F−𝑉D𝑆 ) /𝑅𝑖𝑛; 𝑅𝑖𝑛 = (𝑉𝑖𝑛 −𝑉F −𝑉D𝑆 )/IF
3.如何有效的设计EL817控制电路
一般光耦选型时,其基本电性最重要的是 CTR,它影响着实际量产时可能会产生的误差,图 7 为 EL817 的分 bin 表,此 CTR 的 Min.和 Max.范围是以 IF=5mA、VCE=5V 条件下测得,当实际电路所采用的条件不同时,其 CTR 范围也会跟着变动,因此应先行评估在产品应用时的实际 CTR 范围。
如图8左图所示,此 IF 电流设计大约 2mA,选择 EL817C 作为隔离组件,其 CTR 范围为200~400%,可利用图8右图的 CTR 曲线来评估 IF≒2mA 以及温度上升至 80℃时,电路是否还正常工作。
EL817C 在 IF=5mA 时,CTR%=200~400%,当 IF 下降至 2mA 时,其 CTR%=(200~400%)*0.75=150~300%,在 80℃时 CTR%=(200~400%)*0.48=96%~192%。下面依照所计算后的CTR%,计算出适合的 RL 值。
当 IF=2mA, Ta=25℃时,Ic=2mA*(150~300%)=3~6mA,取最小值 3mA, RL=(5-0.2)/3=1.6KΩ。
当 IF=2mA, Ta=80℃时,Ic=2mA*(96~192%)=1.92~3.84mA,取最小值 1.92mA, RL=(5-0.2)/1.92=2.5KΩ。
计算出来的 RL 值,建议再乘上 1.5 倍左右,以延长光耦光衰后的使用寿命。
如图 9 所示,取一颗 CTR=192% @IF=5mA 规格的样品做实际测试,调整可变电阻(VR)将电流调整至 IF=2mA; Baud rate=4800bps; RL=1K, 2.2K, 3.3KΩ,观察输出波形。如图 10所示,当 RL=1KΩ时,Vce 电压约 2.5V,一般常见的逻辑0电压在 0.8V 以下,因此无法满足逻辑0的电压要求,当 RL=2.2K 和 3.3KΩ时,Vce 电压已小于 0.8V,虽然此两个电阻都适用,但此测试环境是在 Ta=25℃进行,如温度上升时,将使得 RL=2.2kΩ的电路因 CTR 下降而使得 Vce 电压上升,因此在设计初期应将 CTR 下限和温度以及寿命衰减一并考虑进去,以避免在大量生产或消费者使用一段时间后才发现异常。