光半導體——光耦的特性及應用

光耦的特性——CTR和觸發LED電流

在光耦應用中，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LED電流被指定用于執行輸出開／關二進制操作的產品，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LED電流”是指“觸發狀態發生變化的LED電流”，I_FT, I_FH, I_FLH, I_FLH等用作符號。觸發LED電流是電路設計和使用壽命設計的重要項目。規格書中顯示的觸發LED電流表示了產品保證的電流值。為了穩定運行，設計人員在設計時必須保證至少有觸發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時切換到導通狀態，則I_FT＝1mA。在下面的規格書中，將輸出切換到導通狀態所需的I_F最大值為3mA。

發光元件（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，設計人員需要利用所采用的光耦的老化變化數據來估計發光等級的降低趨勢。設計人員將根據使用設備的使用環境和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計實例來一起探討光耦的應用技巧。圖3顯示了使用光電晶體管耦合器將5V信號轉換為10V信號的接口電路實例。我們應該如何設計LED輸入側的電阻R_IN和光電晶體管輸出側的電阻RL？我們應該如何選擇光電晶體管耦合器的CTR？

第1步：設計LED輸入電流I_F及輸入側電阻R_IN

第2步：根據I_F和CTR計算輸出電流

第3步：設計輸出側電阻RL

第4步：檢查每個設計常數

圖3 DC5V與DC10V的接口電路

使用光耦“輸入電流”

第1步：設計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。根據規格實例，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R_L。在這項計算中，設計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：設計輸出側電阻R_L

根據輸出晶體管的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載側的器件的“L”電平。

這里，我們設置V_CE＝0.3V作為目標值。

當R_L＝1kΩ時，I_F＝10mA，V_CE＝0.9V，這無法滿足目標值。當R_L＝2kΩ時，V_CE＝0.2V左右，這可以滿足目標值。因此，選擇R_L＝2kΩ。在實際設計中，還必須考慮負載側的阻抗。

第4步：檢查每個設計常數
考慮工作溫度、速度、使用壽命設計、電阻公差等是否具有足夠的裕度。檢查的數據涉及溫度范圍方面的VF，CTR，允許電流等以及負載電阻相關的開關速度，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。必須確認特性滿足要求，同時必須考慮器件在使用壽命目標期間的退化趨勢。光耦的老化變化可以根據輸入電流（IF）和環境溫度來計算。