光耦使用参考资料
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光耦固态继电器电路设计指南光耦固态继电器是一种可以用来控制高电压的无接触型开关。
它的工作原理是利用光电场效应,将输入信号转化成控制信号和载流信号。
在电子设计中,光耦固态继电器通常用于高压、高电流或高频电路的控制,如交流电源、电机驱动等。
1. 光耦固态继电器的原理光耦固态继电器是由一个光电耦合器和一个三极管组成的电路。
光电耦合器是由一个发光二极管和一个光敏三极管组成的器件,光电二极管能够转化电信号为光信号,光敏三极管则能将光信号转化为电信号。
当输入信号施加在发光二极管上时,二极管会发出一定强度的光,光通过光弹性散射和反射后被光敏三极管接收,从而输出控制信号。
2. 光耦固态继电器的应用在电子制造业、通信、航空航天等重要行业中,光耦固态继电器被广泛应用。
光耦固态继电器可以在微电子空间内控制高压和高电流,可以避免电磁干扰和接触电击等问题,从而有效保护人员和设备。
由于其输出信号是光信号,因此具有隔离、线性和带宽高等优点,对于控制精度要求高的场合,光耦固态继电器是理想的选择。
3. 光耦固态继电器的特点光耦固态继电器具有接触电阻小、电流承载能力强、寿命长、响应速度快、接口标准等特点。
由于没有机械接触,无需清洗或润滑,因此具有十分稳定和可靠的性能。
他们广泛应用是由于它们的可靠性和技术成熟度。
4. 光耦固态继电器的设计指南(1) 输入信号:输入信号需要满足参数指标,并保持稳定。
一般来说,输入电流均匀分配解决不均匀的问题可使得光耦固态继电器的控制响应速度更快。
(2) 载流信号:需要选用合适的三极管以保证输出功率的稳定和充足。
通常情况下,载流信号可以通过并联电容和电阻来减少噪声。
(3) 防护设计:为了安全,应对光耦固态继电器的电路进行有效的防护措施,以防触电和电压过高。
可以使用浪涌保护和晶体管限流等技术来保护电路。
总之,光耦固态继电器具有高稳定性、高性价比和高灵敏性等优点,是电子控制系统中非常重要的组成部分。
如何正确使用和设计光耦固态继电器,将有助于保证电子设备的稳定运行。
光耦选型最全指南及各种参数说明光耦选型手册光耦合器,也称光电隔离器或光电耦合器,是一种利用光作为传输媒介的器件。
光耦通常将发光器(红外线发光二极管LED)和受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳内。
当输入端加电信号时,发光器发出光线,受光器接受光线后产生光电流,从输出端流出,实现了“电—光—电”转换。
光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收和信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收并产生光电流,再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。
光耦合器分为非线性光耦和线性光耦。
非线性光耦适合于开关信号的传输,常用的4N系列光耦属于非线性光耦。
线性光耦的电流传输特性曲线接近直线,并且小信号时性能较好,能以线性特性进行隔离控制,常用的线性光耦是PC817A—C 系列。
光耦合器还可以按速度、通道、隔离特性和输出形式进行分类。
其中,输出形式包括光敏器件输出型、NPN三极管输出型、达林顿三极管输出型、逻辑门电路输出型、低导通输出型、光开关输出型和功率输出型。
光电耦合器的输入阻抗很小,只有几百欧姆,而干扰源的阻抗较大,通常为105~106Ω。
根据分压原理,即使干扰电压的幅度较大,馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小,只能形成微弱电流,由于没有足够的能量而不能使二极体发光,从而被抑制掉了。
光耦合器是一种重要的电子元器件,具有输入、输出、隔离等作用,应用广泛。
在选型时,需要根据具体的应用场景和要求,选择合适的光耦类型和输出形式。
光电耦合器的输入回路和输出回路之间没有电气连接,也没有共地。
此外,分布电容很小,绝缘电阻很大,因此干扰信号很难通过光电耦合器馈送到另一侧,从而避免了共阻抗耦合的干扰信号产生。
光电耦合器可以提供很好的安全保障,即使外部设备出现故障,甚至输入信号线短路,也不会损坏仪表。
这是因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。
光耦使用电路光耦,又称光电耦合器件,是一种能够将光信号转换为电信号,或者电信号转换为光信号的器件。
在电子电路设计中,光耦通常用于实现电气和光学之间的隔离,以及信号的传输与隔离。
光耦广泛应用于各种领域,如工业控制、通信设备、医疗仪器等。
光耦原理光耦器件通常由发光二极管(LED)和光敏晶体管(光电晶体管或光电二极管)两部分组成。
发光二极管接收电信号,在受到电流激励后发出光信号,光信号被光敏晶体管接收并转换为电信号。
这样就实现了电信号到光信号的转换或光信号到电信号的转换。
光耦的作用在电路设计中,光耦主要起到隔离和传输信号的作用。
通过光耦,可以将输入信号和输出信号进行隔离,防止干扰和噪音的传播,提高电路的稳定性和可靠性。
此外,光耦还可以实现不同电路之间的信号传输,将信号传递到需要的位置。
光耦的使用场景1.隔离电路:在工业控制领域,光耦常用于隔离输入信号和输出信号,保护电路免受高电压或高电流的影响。
2.信号传输:在通信设备中,光耦可将信号从高频电路传输到光纤中,实现电信号与光信号之间的转换。
3.调节亮度:在照明控制电路中,光耦可以根据输入信号的强度来控制LED等光源的亮度,实现光的调节。
4.保护电路:在医疗仪器中,光耦可以用于隔离患者和设备之间的信号传输,确保患者安全。
光耦使用注意事项1.选择适当的光耦器件:根据电路需求选择合适的光耦器件,包括工作电压、工作频率、传输速度等参数。
2.确保光路畅通:在使用光耦时,保持光路的清洁和畅通,避免光信号传输受阻。
3.避免超过额定参数:在设计电路时,要避免超过光耦器件的额定参数,以确保器件的可靠工作。
4.调试电路:在使用光耦时,需要进行电路调试,确保信号传输正确、稳定。
结语光耦作为一种重要的电子器件,在电路设计中发挥着重要作用。
通过合理应用光耦,可以实现信号隔离、传输和控制,提高电路的性能和可靠性。
在实际应用中,需要根据具体需求选择合适的光耦器件,并遵守使用注意事项,以确保电路的正常工作和稳定性。
光耦的工作原理及应用光耦(Optocoupler),又称光隔离器、光电耦合器或光电耦合件,是一种将输入与输出电路通过光线隔离的器件。
它由一个发光二极管(LED)和一个光敏三极管(光控晶体管或光电二极管)组成。
光耦通过光信号来传递输入信号,并同时实现输入输出之间的电气隔离,避免了传统接触式隔离器件中的直流/交流信号干扰和电气噪声。
光耦工作原理主要基于光电效应。
当输入端施加电压时,发光二极管(LED)发射出一束光,光线经过绝缘层(通常为空气或玻璃)传递到光敏三极体上。
当光线照射到光敏三极体上时,电流得以产生。
光敏三极体通过放大效应将输入端的电流转化为相应的输出电压或电流。
这种光电转换过程实现了输入与输出间的光电隔离。
光耦的应用:1.电气隔离:光耦的最主要应用之一是在输入和输出电路之间实现电气隔离,以防止输入信号对于输出电路的干扰。
特别是在高压或高电磁干扰的环境下,光耦可以有效地隔离输入和输出电路,提高系统的稳定性。
2.电流控制:光耦通常用于控制较高电流的开关或继电器。
通过控制输入端的光信号强度,可以控制输出端的电流。
这在一些需要电流隔离和精确控制的场合非常有用,例如电源开关控制、电机控制等。
3.脉冲传输:光耦因其能够传递高速脉冲信号而被广泛应用于通信和数据传输领域。
光耦能够提供高达几GHz的带宽,具备高速传输功能。
因此,在高速通信和数据传输系统中,光耦能够实现输入输出的电气隔离和高速信号传输。
4.隔离和保护:光耦可以用于隔离敏感的电路,防止高压或高电流的输入信号对其造成损坏。
光耦在控制智能电力开关、隔离高压测量电路、保护传感器和测量仪器等方面发挥重要作用。
5.反馈控制:在一些反馈控制系统中,光耦可以实现反馈信号的精确隔离,以防止反馈信号对控制器产生负面影响。
尤其是在高电压或高温环境下,通过光耦提供的电气隔离可以有效地保护控制回路的稳定性和可靠性。
总结:光耦是一种能够实现输入与输出电路之间的光电隔离的器件。
光耦互锁电路-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以简要介绍光耦互锁电路的背景和基本概念。
以下是一个参考示例:概述:光耦互锁电路是一种常用于电子设备中的互锁保护电路。
在很多需要高度可靠性和安全性的电路设计中,光耦互锁电路被广泛应用,以确保电路的正常工作和防止意外发生。
光耦互锁电路通过利用光电耦合效应实现输入和输出信号之间的隔离,从而达到互锁的作用。
该电路通常由光电耦合器、光源、驱动电路和反馈电路等组成,其原理是利用光电耦合器将输入信号转化为光信号,然后再经过光源进行放大和传输,最后由光电耦合器将光信号转化为输出信号。
通过这种光电转换的方式,输入和输出信号之间实现了电气隔离,从而有效地防止了信号的干扰和串扰。
光耦互锁电路具有很多优点,其中最主要的就是其能够提供较高的隔离性能和抗干扰能力。
由于输入和输出信号之间通过光信号传输,而光信号不受电磁场的影响,因此能够有效地防止电磁干扰和电流回路的串扰。
此外,光耦互锁电路还可以实现多路输入和输出信号的互锁,从而进一步提高了电路的可靠性和安全性。
在实际应用中,光耦互锁电路被广泛应用于各种工业自动化设备、电力系统和通信设备等领域。
它不仅可以提供一定程度的保护和隔离,还可以提高整个系统的运行效率和稳定性。
本文将对光耦互锁电路的原理和应用进行详细介绍,通过对相关技术和案例的分析,为读者提供更深入的了解和实践指导。
在接下来的章节中,我们将首先介绍光耦互锁电路的原理,包括其基本结构和工作原理。
随后,我们将探讨光耦互锁电路在实际中的应用,以及一些相关的研究和发展趋势。
最后,我们将对本文进行总结,并对未来的发展进行展望。
1.2文章结构1.2 文章结构本文将深入探讨光耦互锁电路的原理及其应用。
主要包括以下几个部分:第一部分,引言,旨在提供读者一个对本文主题的概述。
我们将简要介绍光耦互锁电路的背景和基本概念,并解释为何光耦互锁电路在现代电路设计中具有重要作用。
第二部分,正文,将详细介绍光耦互锁电路的原理和应用。
责任编辑:王莹 2011.4光耦合器自70年代发展起来后,已经得到了广泛的应用,下面举两个实例进行说明。
案例1当我们要设计一组开关电源时,从安全以及抗干扰角度考虑,很多时候不希望是热地(即希望将高频变压器的初级侧与次级侧的电源进行隔离,以提高弱电侧的安全性)。
我们将上面的要求以及同时将开关电源的其他特性考虑进去,基本上发现开关电源具有以下几个特征:1、需要初级侧的电源与次级侧的电源进行隔离;2、开关具有高频光电耦合器的应用与使用注意事项Application of optical coupler卜建平 宋秀敏 珠海格力电器(广东 珠海 519070)摘要:本文主要介绍了光藕及其应用。
关键词:光耦;应用DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2011.03.0142011年1月18日收到修改稿。
卜建平:设计师,从事家电设计;宋秀敏:高级设计员,从事家电设计;率特性;3、输出电压需要能够实时地反馈给初级端控制芯片,以便芯片做出控制;4、次级侧的电压变化能够线性地反馈到初级侧;5、初级侧与零火线直接相连,要求次级侧的电源不受初级侧的电源干扰;在解决以上几点要求上,光耦体现了其价值,而且设计简单。
光耦的线性特性,能够使次级侧的输出线性地反馈到初级侧;光耦的非机械触点可以迅速开通与关闭,实现了开关电源实时、迅速的要求,同时还具备无寿命要求;更重要的是,其是隔离的,可以完全隔断初级侧与次级侧,使次级侧不受初级侧的影响。
图1 是一个简单的开关电源示意。
该开关电源的工作原理当输出电压升高时,光耦发光端电流增加,此时受光端电流也相应的增大,致使开关电源芯片减小开关管的导通时间或者导通频率,从而降低输出电压;相反,当输出电压降低时,光耦发光端电流减小,此时受光端电流也相应的减小,致使开关电源芯片增大开关管的导通时间或者导通频率,从而提高输出电压,并使输出电压稳定。
该设计充分利用了光耦的线性。
当然在使用上述电路时,需要保证光耦与稳压二极管的匹配,保证二者都工作在合理的电流范围内。
光耦的使用方法有哪些光耦是一种将输入光信号转换为输出电信号的器件,通常由发光二极管(LED)和光敏二极管(光电晶体管)构成。
光耦广泛应用于电子电路中,用于实现输入和输出之间的电气隔离,提高系统的稳定性和安全性。
以下是光耦的使用方法及其在电路中的应用:1. 光耦的基本原理光耦的工作原理是利用发光二极管产生的光信号激发光敏二极管,从而在光敏二极管中产生电信号。
通过控制输入光信号的强弱,可以在输出端获得相应的电信号,实现电气隔离的功能。
2. 使用光耦实现电气隔离在一些需要隔离输入和输出信号的电路中,可以使用光耦来进行电气隔离。
例如,在控制系统中,可以使用光耦将控制信号与执行部分隔离,以避免干扰和提高系统的稳定性。
3. 光耦的应用于继电器驱动光耦常用于继电器的驱动电路中,通过光耦隔离输入信号与继电器的控制端,可以实现对继电器的远程控制。
这种应用方式能够有效减少电气干扰,提高系统的可靠性。
4. 光耦的应用于开关控制在一些需要隔离输入信号与开关控制电路的应用中,可以使用光耦来实现隔离。
通过光耦输出的电信号来控制开关电路,同时保证输入信号与开关电路之间的电气隔离,确保系统安全稳定运行。
5. 使用光耦进行信号隔离与传输光耦还常用于信号隔离与传输的应用场景中。
例如,将传感器反馈的信号通过光耦隔离传输到主控制器,可以确保传感器信号不会影响到主控制器的正常运行,提高系统的可靠性。
6. 小结总的来说,光耦作为一种用于实现电气隔离的器件,在电子电路中有着广泛的应用。
通过合理地设计和使用光耦,可以实现输入输出信号的隔离,提高系统的稳定性和安全性,是电子电路设计中常用的重要元件之一。
正向压降VF:二极管通过的正向电流为规定值时,正负极之间所产生的电压降。
正向电流IF:在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流。
反向电流IR:在被测管两端加规定反向工作电压VR时,二极管中流过的电流。
反向击穿电压VBR::被测管通过的反向电流IR为规定值时,在两极间所产生的电压降。
结电容CJ:在规定偏压下,被测管两端的电容值。
反向击穿电压V(BR)CEO:发光二极管开路,集电极电流IC为规定值,集电极与发射集间的电压降。
输出饱和压降VCE(sat):发光二极管工作电流IF和集电极电流IC为规定值时,并保持IC/IF≤CTRmin时(CTRmin在被测管技术条件中规定)集电极与发射极之间的电压降。
反向截止电流ICEO:发光二极管开路,集电极至发射极间的电压为规定值时,流过集电极的电流为反向截止电流。
电流传输比CTR:输出管的工作电压为规定值时,输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。
脉冲上升时间tr、下降时间tf:光耦合器在规定工作条件下,发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波,输出端管则输出相应的脉冲波,从输出脉冲前沿幅度的10%到90%,所需时间为脉冲上升时间tr。
从输出脉冲后沿幅度的90%到10%,所需时间为脉冲下降时间tf。
传输延迟时间tPHL、tPLH:光耦合器在规定工作条件下,发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波,输出端管则输出相应的脉冲波,从输入脉冲前沿幅度的50%到输出脉冲电平下降到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPHL。
从输入脉冲后沿幅度的50%到输出脉冲电平上升到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPLH。
入出间隔离电容CIO:光耦合器件输入端和输出端之间的电容值。
入出间隔离电阻RIO:半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。
入出间隔离电压VIO:光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。
----------------------------------------------------------------------------------------常用的器件。
光耦的用法一、光耦简介光耦合器(英文:Optical Coupler,简称:光耦)亦称光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。
它是以光为媒介来传输电信号的器件,通常把发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳内。
当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电—光—电”转换。
光耦合器主要由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收后,进一步转换为电信号,最后经后级放大形成响应的输出信号。
因此光耦合器输入的是电信号,输出的是电信号。
二、光耦的种类根据其工作方式的不同,可分为线性光耦和开关光耦;按照接收管的结构不同,线性光耦又可分为有光电二极管式和光电晶体管式两种;开关光耦又分为晶体管—晶体管(T—T)式、晶体管—晶体管(N—P—N)式、晶体管—晶体管(P—N—P)式等类型。
此外,还有达林顿(射极跟随器)型、双管式和差分式等光耦合器。
三、光耦的工作原理光耦合器的工作原理是:在输入端加电信号使发光源发光,发光管产生的光线照射在受光器上,转换成电信号后再传输到输出端,以完成对于电路的隔离与传输。
其结构一般有光纤式和集成式两类,但目前应用最广、产量最大的为集成式结构的光耦合器。
它又可分为“塑封型”和“密封型”两大类,其中“塑封型”又分为直插封装型和贴片封装型两种。
四、光耦的选择与使用由于线性光耦是线性工作的器件,它在模拟电路中的应用优于数字电路。
选择一个好的光耦需要考虑一下因素:1.隔离电压:选择隔离电压高的器件。
2.传输速度:根据电路中电信号的频率选择不同截止频率的光耦。
3.带宽:根据电路的带宽选择不同带宽的光耦。
4.饱和压降:对与一般的数字逻辑来说,应选择饱和压降尽可能小的器件。
5.线性度:选择线性度好的器件。
线性度越接近1越好。
在选择完光耦之后就要看是否能够符合你的实际电路使用了,注意最大和最小的工作电压、电流,这些会影响到整个电路的性能和稳定性。
光耦使用技巧光电耦合器(简称光耦),是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内,中间通过电→光→电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。
光电耦合器可根据不同要求,由不同种类的发光元件和光敏元件组合成许多系列的光电耦合器。
目前应用最广的是发光二极管和光敏三极管组合成的光电耦合器,其内部结构如图1 a所示。
光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递,输入与输出在电气上完全隔离,具有抗干扰性能强的特点。
对于既包括弱电控制部分,又包括强电控制部分的工业应用测控系统,采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离,达到抗干扰目的。
但是,使用光耦隔离需要考虑以下几个问题:①光耦直接用于隔离传输模拟量时,要考虑光耦的非线性问题;②光耦隔离传输数字量时,要考虑光耦的响应速度问题;③如果输出有功率要求的话,还得考虑光耦的功率接口设计问题。
1 光电耦合器非线性的克服光电耦合器的输入端是发光二极管,因此,它的输入特性可用发光二极管的伏安特性来表示,如图1b所示;输出端是光敏三极管,因此光敏三极管的伏安特性就是它的输出特性,如图1c所示。
由图可见,光电耦合器存在着非线性工作区域,直接用来传输模拟量时精度较差。
图1 光电耦合器结构及输入、输出特性解决方法之一,利用2个具有相同非线性传输特性的光电耦合器,T1和T2,以及2个射极跟随器A1和A2组成,如图2所示。
如果T1和T2是同型号同批次的光电耦合器,可以认为他们的非线性传输特性是完全一致的,即K1(I1)=K2 (I1),则放大器的电压增益G=Uo/U1=I3R3/I2R2=(R3/R2)[K1(I1)/K2(I1)]=R3/R 2。
由此可见,利用T1和T2电流传输特性的对称性,利用反馈原理,可以很好的补偿他们原来的非线性。
图2 光电耦合线性电路另一种模拟量传输的解决方法,就是采用VFC(电压频率转换)方式,如图3所示。
现场变送器输出模拟量信号(假设电压信号),电压频率转换器将变送器送来的电压信号转换成脉冲序列,通过光耦隔离后送出。
[8]Explanations2.How to Use Photocouplers2.1LED Control Circuits2.1.1DC DriveFigure 8.2.1 shows an example of controlling LED drive current by switching the power supply on and off. In this case, the resistor R is R= VIN − VF IFIF R IF VIN VFVIN R IF VFVFVINFigure 8.2.1 Simple Drive Circuit for an LEDFor example, when IF = 10 mA, VF (max) = 1.35 V, and VIN = 5 V, R = (5 − 1.35) V 10 mA = Ω 365Therefore, the resistor should be selected as R = 360 Ω. Assuming that VF = 0.9 V due to its fluctuation or temperature dependence, the value of IF is 11.4 mA.2.1.2Reverse Voltage ProtectionWhen a reverse surge voltage may be applied to a light emitting diode, a Si diode (for example, 1SS348) should be connected in reverse parallel with the light emitting diode, so that the reverse surge voltage bypasses the LED.R Si DiodeFigure 8.2.2 Protection from Reverse Voltage by Silicon Diode144[8]2.1.3 Threshold VoltageExplanationsWhen the input voltage is not absolutely zero or some unnecessary steady current flow is in a data transmission line, the threshold voltage of the LED should be raised up to a certain level by connecting a resistor in parallel with the light-emitting diode. (Figure 8.2.3)R VIN RSFigure 8.2.3 Threshold VoltageIf the forward voltage of the LED in the zero-light-emission state VT, the OFF-level input voltage VIN (OFF), and the OFF-level input current IIN (OFF) are given by VIN (OFF) = VT + R = (1 + IIN (OFF) = VT RS R RS VT RS ) VTThen in the case of the Toshiba IRED, the value of VT is 0.5 V.2.1.4Driving by Transistor or ICIn Figure 8.2.4 are shown examples of using an LED for driving circuits by utilizing a transistor or IC.VCC IF R IF VCCRR=VCC − VF − VCE (sat) IFR=VCC − VF − VOL IFFigure 8.2.4 Driving by Transistor or IC145[8]Explanations2.4Interface Circuit between TTLs Using a Phototransistor CouplerA circuit using a DIP 4 pin photocoupler as an interface between TTLs is shown in Figure 8.2.22. In order to assure positive ON/OFF operation of the TTL, the LED current IF should be set to satisfy IOL which is determined by RC and IIL. Example of Design Specifications Operating temperature: 0 to 70°C Data transmission rate: 5 kbit/s Supply voltage: VCC = 5 V ± 5% Operating life: 20 years (170,000 hours) System working ratio: 50% Specifications of products required for designing interface circuits are shown in Table 8.2.1.R IF VCC TLP521-1 VCC II IC RC IIL IC > II + IILFigure 8.2.22Interface Circuit between TTLs Using a 4 pin PhotocouplerTable 8.2.1 Principal Characteristics of the TLP521-1Item Forward voltage Collector to emitter Breakdown voltage Emitter to collector Breakdown voltage Collector dark current V (BR) ECO V (BR) CEO Symbol VF Test Condition (Ta = 25°C) IF = 10 mA IC = 0.5 mA IE = 0.1 mA IF = 0, VCE = 24 V IF = 0, VCE = 24 V, Ta = 85°C A rank Current transfer ratio CTR (IC/IF) IF = 5 mA VCE = 5 V GB rank GR rank BL rank Collector to emitter Saturation voltage VCE (sat) IF = 5 mA, IC = 1 mA min 1.0 55 typ. 1.15 ⎯ max 1.3 ⎯ Unit V V7 ⎯ ⎯ 50 100 100 200 ⎯⎯ 10 2 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 0.1⎯ 100 50 600 600V nA µAICEO% 300 600 0.4 V146 155[8]2.4.1 Setting of RC (max)ExplanationsRC (max) should be set according to the switching time and dark current ICEO (max) at the maximum operating temperature of the photocoupler. The relations of switching time to RL (load resistance) and RC are shown as follows: As the data transmission rate is 5 kbit/s, the total switching time is T = tr + td + tf + ts < 200 µs = The load resistance RL is obtained from the switching time characteristic (for saturated operation) in Figure 8.2.23 so that T becomes 100 µs, taking account of variability in the device’s switching characteristic in order to secure T < 200 µs. RL < 4.7 kΩ is obtained from this graph. Here, RL can be = = expressed in terms of RC and the parallel resistance of the standard TTL input resistance RIN. (Figure 8.2.24) RL = RC ∥ RIN As RL = 4.7 kΩ > RIN = 4 kΩ, RC may be indefinite (RC = ∞) but RC (max) against the dark current ICEO (max) is limited. The relation between ICEO (max) and RC (max) is shown below. RC (max) = VCC (min) − VIH ICEO (max) + IIHThen, ICEO (max) must be estimated at Ta = 70°C. Temperature dependencies of ICEO (typ.) at alternative parameter values of VCE = 5 V, 10 V, and 24 V are shown in Figure 8.2.25.1000 800 600 400 200tf IF = 5 mA RL VOUTSwitching time (µs)100 80 60 40 20 10 8 6 4tsVOUT 5V 0V td tr tr90% 10% ts tf2 td 1 0 1 2 4 6 8 10 20 40 60 80 100Load resistance (kΩ)Figure 8.2.23 Load Resistance vs. Switching Time+5 V 4 kΩ TTL Coupler RINVCC RCFigure 8.2.24 RL can be Expressed by RIN and RC147 156[8]ExplanationsIn the case of the TLP521-1 phototransistor coupler, ICEO (max) = 50 µA at Ta = 85°C and VCE = 24 V. Therefore, taking VCE dependency and Ta dependency into consideration from Figure 8.2.25, ICEO(max) is estimated at Ta = 70°C and VE = 5 V.VCE dependency: ICEO (typ.) is reduced by 1/4 when VCE is varied form 24 to 5 V Ta dependency: ICEO (typ.) is reduced by 1/4 when Ta is varied form 85 to 70°C Therefore, ICEO (max) at Ta = 70°C and VCE = 5 V is estimated to be, ICEO (max) = 50 µA × 1 4 × 1 4 = 3.1 µAAccordingly, IIH is 40 µA for general TTLs and RC (max) will be obtained as follows: RC (max) = 4.75 V − 2 V 3.1 µA + 40 µA = 64 kΩ10 VCE = 24 V 110 5(µA) ICEO10−110−210−310−4 0 20 40 60 80 100 120Temperature (°C)Figure 8.2.25 ICEO vs. Temperature148 157[8]2.4.2 Setting of Forward Current IFExplanationsThe maximum forward current IF is obtained as IF = 16 mA subject to the constraint IF < IOL, and = the maximum allowable value of IF found from Figure 8.2.26 is 50 mA. However, IF should be kept as small as possible because CTR degradation increases with the increase of forward current. Figure 8.2.27 shows degradation of CTR. In order to realize the designed continuous operating life of approx imately. 100,000 hours, the forward current should be set at IF = 10 mA ± 50%.100 Test conditions IF = 70 mA, PC = 150 mW, Ta = 25°C80IC (t)/IC (t = 0) (VCE = 5 V, IF = 5 mA, Ta = 25°C)Allowable forward current(mA)1.0600.8400.6200.40 −200204060801000102103104Ambient temperature (°C)Test time (h)Figure 8.2.26 Ambient Temperature vs. Allowable Forward Current (TLP521-1)Figure 8.2.27Lifetime Test Data (CTR degradation)Setting of the IF limiting resistance RD Forward current (typ.) is expressed by the following formula: IF (typ.) = VCC − VF (typ) − VOL RD (typ)40 Ta = 25°C VCE = 5 Vwhere VF (typ.) is obtained from technical data. then, VF (typ.) = 1.15 V (at IF = 10 mA)(mA)20 10 6 4 2 IC/IF = 600% 370% 280% 185% 125% 80%Therefore, RD is determined as follows: RD = 5 V − 1.15 V − 0.4 V 10 mACollector current IC1 0.6 0.4 0.2= 345 Ω Therefore, RD = 330 Ω ± 5% will be optimum.0.1 0.06 0.04 0.4 6 8 1 2 4 6 10 20 40Forward current IF(mA)Figure 8.2.28IC vs. IF Curves Varying According to Different IC/IF Rations149 158[8]ExplanationsThen IF (min) and IF (max) should be checked to make sure that realized values of IF will remain within allowable tolerances: IF (min) = = VCC (min) − VF (max) − VOL RD (max) 4.75 V − 1.3 V − 0.4 V 314 Ω= 9.7 mA IF (max) = = VCC (max) − VF (min) − VOL RD (min) 5.25 V − 1.0 V − 0.4 V 347= 11.1 mA1.4 1.2 IF = 5 mARelative collector current1.02 mA1.2 5V 1.0 2V VCE = 0.4 V0.8IF = 10 mAIC/IF0.6 5 mA 0.40.80.20 0.10.6 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 4 6 8 10−20020406080100VCE(V)Ta(°C)Figure 8.2.29 IC/IF vs. VCESetting of pull-up resistance RCFigure 8.2.30 Collector Current vs. TaWhen the realized value of the collector current IC is assumed in the worst case to be min IC, RC can be expressed by the following relation: RC < = VCC (max) − VOLmin IC − IILmin IC = IC (min) × DIF × Dt × DVCE × DTa where, Dt: IC degradation rate after a certain time has passed. DIF: IC change rate at an IF setting for your designing. DVCE: IC drop rate under VCE (sat) condition. DTa: IC fluctuation rate with changes in the operating temperature Topr. These values are obtained from technical data. In the case of the TLP521-1:150 159[8]From Figure 8.2.27, Dt = 0.5 (t = 17 × 104 h, 50% operating ratio) From Figure 8.2.28, DIF = 2.5 (at IF = 10 mA) From Figure 8.2.29, DVCE = 0.8 (at VCE = 0.4 V) From Figure 8.2.30, DTa = 0.75 (at Ta = 70°C)ExplanationsOn the other hand, as IC (min) = 2.5 mA (at IF = 5 mA × IC/IF (min) = 50%), and min IC = 2.5 mA × 2.5 × 0.5 × 0.8 × 0.75 = 1.8 mA However, if based on these data, the following inequality cannot be met: min IC − IIL > VCC (max) − VOL RC (min)Therefore, a photocoupler with a higher CTR should be selected. In the case of the TLP521-1 (GB), because IC (min) is guaranteed to be 5 mA, the min IC will become 3.6 mA. Accordingly, IIL is 1.6 mA for general TTLs and RC (min) can be obtained as follows: RC (min) = 5.24 − 0.4 3.6 − 1.6 ∼ 2.4 kΩ −In other words, RC can be set from 2.4 kΩ to 64 kΩ, but it is also necessary to consider the switching speed required by a system and the requirement for certainty of logical ON or OFF conditions. If the switching speed is considered to be relatively more important, RC should be set to be near to RC (min). On the other hand, if the certainty of ON and OFF operation is considered to be the most important criterion, a value close to RC (max) should be selected (the operating life of the device may be defined as the period during which there is certainty of the ON and OFF conditions being properly set.). In this case, since Dt is assumed to be 0.5 with a relatively high margin the switching speed should be considered to be more important. So, RC is obtained as 4.7 kΩ.151 160[8]Explanations2.7Photocoupler Circuit Design2.7.1Transistor Output PhotocouplersFigure 8.2.33 shows a basic transistor photocoupler interface circuit, where collector current IC flows on the output side as IRED current IF is applied on the input side. The following points are important to determine each value in circuit design work: (1) IF = 0 (OFF state) Only a leakage current ID flows at the output transistor in this state. In order to maintain the OFF state, the output voltage VOUT (OFF) should be higher than VH (the required high level voltage) as follows: VCC − ID × RL = VOUT (OFF) > VH here, VCC: Applied voltage (supply voltage)RL VOUT IF ICVCCFigure 8.2.33 Transistor photocoupler152 163[8]ExplanationsThe leakage current ID increases as the ambient temperature rises (see Figure 8.2.34 Id vs. Ta), so the ID value will have to be considered at the worst case, which is at the maximum of operating temperature. Accordingly, the value of RL should meet the following formula: RL < VCC − VH IDlogIDTaFigure 8.2.34 Id vs. Ta(2) IF = Iin (ON state) When the collector current IC (ON) flows on the output side of the photocoupler, output VOUT (ON) has to be less than VL (the required low level voltage) as follows: VCC − IC (ON) × RL = VOUT (ON) < VL Accordingly, RL > VCC − VL IC (ON)Generally when the RL value is large, the switching response time increases, so the RL value should be kept as small as possible. (3) Considerations concerning the input current Iin in the “ON” status Normally technical data sheets of photocouplers show the characteristic curves IC vs. IF, CTR vs. Ta, and CTR vs. t as shown in Figure 8.2.35, Figure 8.2.36, Figure 8.2.37. The photocoupler CTR test is performed at the specific point be done by the following procedure; i) Draw the extrapolated CTR min curve (Note2) in parallel with the typical curve. Note2: This curve is the expected CTR min line. The cross point specification value. Here CTR = IC/IF, IC min = CTR min × IF1 ii) Find IF2 from the cross points of IC = IC (ON) with the B characteristic curve. This IF2 point indicates the minimum input current at Ta = 25°C and operating time t = 0 hour. When considering the relationship between CTR and Ta (Figure 8.2.36), as well as CTR degradation (Figure 8.2.37), the minimum input current Iin has to conform to the following formula.; Iin > IF2 × 1 DTa × 1 Dt ×α shows the “CTR min” in Figure 8.2.35. This point is not always the same as the actual operating point, so some compensation work is required toHere, DTa: Rate of CTR fluctuation within the operating temperature range Dt: CTR degradation rate after “t” hours of operation α: System design margin153 164Figure 8.2.39 I FT vs. TaFigure 8.2.40 I FT vs. tNote3: R S and C S are snubber circuits and recommended to be 47 Ω and 0.033 µF, respectively.I2.7.3 Photovoltaic CouplersRecently, in PBX systems, power MOSFETs* are beginning to replace mechanical relays. Thesepower MOSFETs require a voltage output type photocoupler (photovoltaic coupler).As devices become smaller, photorelays which combining a photovoltaic coupler and a MOSFET in a single package are starting to be used. As far as design is concerned, photovoltaic couplers andphotorelays are handled the same. In obtaining the photovoltaic output voltage to drive the MOSFET, how to determine input current I F is an important consideration.Figure 8.2.41 Photovoltaic CouplerIn photovoltaic couplers, both output voltage V OC , and short current I SC (output current) increase as input current increases. (see, Figure 8.2.42, Figure 8.2.45).Input current I in (Note4) has to be determined so that the output voltage V OC becomes high enough to drive the power MOSFET gate.These V OC and I SC values will change as a function of the ambient temperature Ta and operating time “t” as shown in Figure 8.2.43, Figure 8.2.46, and Figure 8.2.44.Considering these factors, the input current I in has to conform to the following formula:Figure 8.2.44 V OC vs. tvs. I Fvs. TaFigure 8.2.47 I SC vs. t1 1I in >I F ×D Ta × D t× αHere, D Ta : The fluctuation rate of V OC and I SC within the operating temperature range D t : The degradation rate of V OC and I SC after “t” hours of operationα: System design marginNote4: Turn-on time of the power MOSFET depends on the charging time of the gate capacitance. Thelarger the short current I SC (output current) becomes, the shorter the turn-on time is. So a power MOSFET transistor should be used whose input capacitance is as small as possible.Note5: There are many patents relating to MOSFET drivers.**: Normally this external resistor (high value) has to be connected. (1 M Ω)IVV2.7.4 I C Output Photocouplers(1) High-speed transistor output:6N135, 6N136, 6N138, 6N139TLP112, TLP112A, TLP114A, TLP550, TLP559, TLP759, TLP2530, TLP2531Output current I O depends upon input LED current I F and changes according to the formulaI O= CTR × I F (see Figure 8.2.48). This point should be considered in design work.As a representative example, the fundamental design rules in a TTL/TTL interface, which usesthe TLP550, are shown in Figure 8.2.49.Figure 8.2.48 I O vs. I F Figure 8.2.49 TTL/TTL Interface (TLP550)V CC1− V F− V OL1I O (min) = I F× CTR (min) R IN=I FV CC2− V OLR L(min)=I O(min) ×α+ I ILα: System design margin(2) High speed I C output:6N137TLP115A, TLP250, TLP251, TLP557, TLP558, TLP2200, TLP2601, TLP2630, TLP2631In these types, output status is inverted at a certain threshold I FH (or I FL) of input LEDcurrent I F (Figure 8.2.50). Therefore the input LED current I F should be designed to exceed themaximum specified value of I FH (or I FL) as shown in Figure 8.2.51.Figure 8.2.50 V O vs. I F Figure 8.2.51 TTL/TTL Interface (TLP2601)V CC1− V F− V OL1R IN (max)=I FH (max) ×α(α: system design margin)I FVFlogITable 8.2.2 I FH , I FL max SpecificationsProduct Number I FH (or I FL ) maxGuaranteed temperature range6N137, TLP115ATLP2601, TLP2630 TLP2631 5 mA0 to 70°C TLP557−30 to 70°C TLP250, TLP251 5 mA −20 to 70°C TLP2200, TLP5581.6 mA−25 to 85°C(3) Other precautions(a) Bypass capacitorHigh-gain amplifiers are built into the output detector I C in the photo I C couplers. Due to noise voltage on the V CC power line or on the GND line, or because of the V CC transient voltage caused by load switching, internal oscillation may occur and lead to abnormal operation. To prevent this, a bypass capacitor (0.1 µF) with good high-frequencycharacteristics should be connected between V CC and GND within 1 cm from each pin. (see Figure 8.2.52)The 0.1 µF bypass capacitor should be connected for the following I C output couplers; 6N137, TLP113, TLP115, TLP115A, TLP558, TLP2601, TLP2630, TLP2631 Toshiba recommends 0.1 µF bypass capacitor to use externally to all IC output type photocouplers for designing safety.Figure 8.2.52 Bypass Capacitor (ceramic)(b) Enable terminalsThe 6N137, TLP2200, TLP2601 and TLP558 all have enable terminals. When not utilizing this enable function, the terminals are to be treated as follows;Figure 8.2.53 Enable Terminal Treatment(c) Photocoupler insulation performanceOur photocoupler insulation performance designations are based on maintaining that performance for a period of one minute. This equipment is not generally recommended for applications using high voltage for long continuous periods. If the usage may involve a long continuous period of exposure to high voltage, contact a Toshiba sales office.6N137 TLP2601CCV E (pin 7): Open (or V CC directly connected) 1324V E (pin 6): GND Directly Connected V E (pin 7): V CC Directly ConnectedCC。