光半导体——光耦的特性及应用

光耦的特性——CTR和触发LED电流

在光耦应用中，电流传输比CTR是一个非常重要的特性，晶体管耦合器的电流传输比是用输出电流相对于输入电流的放大率来表示的，比如晶体管h_FE。

电流传输比＝CTR＝I_C/I_E＝输出（集电极）电流／输入电流×100（%）

例如：当输出是I_F＝5mA时，得到I_C＝10mA。

CTR＝I_C ／I_F＝10mA／5mA×100（%）＝200%

在光耦特性中，触发LED电流被指定用于执行输出开／关二进制操作的产品，比如逻辑输出的IC耦合器、光继电器和可控硅输出耦合器。“触发LED电流”是指“触发状态发生变化的LED电流”，I_FT, I_FH, I_FLH, I_FLH等用作符号。触发LED电流是电路设计和使用寿命设计的重要项目。规格书中显示的触发LED电流表示了产品保证的电流值。为了稳定运行，设计人员在设计时必须保证至少有触发LED电流（最大值）流动。

输入LED电流I_F从0mA逐渐增大，如果输出在1mA时切换到导通状态，则I_FT＝1mA。在下面的规格书中，将输出切换到导通状态所需的I_F最大值为3mA。

发光元件（LED）的光输出会随时间的推移而减弱。在光耦中，LED光输出的老化变化比受光器件的老化变化更为明显。因此，设计人员需要利用所采用的光耦的老化变化数据来估计发光等级的降低趋势。设计人员将根据使用设备的使用环境和LED的总工作时间来计算LED的光输出变化。必须将该值反映在LED正向电流（I_F）的初始值中。

如何使用光耦

我们以光电晶体管耦合器信号接口设计实例来一起探讨光耦的应用技巧。图3显示了使用光电晶体管耦合器将5V信号转换为10V信号的接口电路实例。我们应该如何设计LED输入侧的电阻R_IN和光电晶体管输出侧的电阻RL？我们应该如何选择光电晶体管耦合器的CTR？

第1步：设计LED输入电流I_F及输入侧电阻R_IN

第2步：根据I_F和CTR计算输出电流

第3步：设计输出侧电阻RL

第4步：检查每个设计常数

图3 DC5V与DC10V的接口电路

使用光耦“输入电流”

第1步：设计LED输入电流和输入电阻R_IN。

光耦的输入电流（I_F）将由（1）输入电源电压（5V），（2）限流电阻（R_IN）和（3）LED正向电压（V_F）决定。根据规格实例，确定限流电阻和输入电流（I_F）。

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

第2步：根据I_F和CTR计算光电晶体管的输出电流。

光耦的输出电流（I_C）值是多少？根据电流传输比（I_C／I_F）计算输入电流（I_F）＝10mA时输出电流（I_C）的变化。从I_C-I_F曲线上读取I_F＝10mA时的I_C值，可以看到I_C＝20mA。这里，我们假设CTR基本上与I_F＝5mA时相同，则可以计算如下：

如果是GR等级（100%至300%）

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

接下来，我们用这里得到的I_C值来推导R_L。在这项计算中，设计R_L的值，使得V_CE即使在I_C值最小时也成为饱和电压。

第3步：设计输出侧电阻R_L

根据输出晶体管的I_C－V_CE特性确定R_L。为了用于信号传输，必须完全满足连接到负载侧的器件的“L”电平。

这里，我们设置V_CE＝0.3V作为目标值。

当R_L＝1kΩ时，I_F＝10mA，V_CE＝0.9V，这无法满足目标值。当R_L＝2kΩ时，V_CE＝0.2V左右，这可以满足目标值。因此，选择R_L＝2kΩ。在实际设计中，还必须考虑负载侧的阻抗。

第4步：检查每个设计常数
考虑工作温度、速度、使用寿命设计、电阻公差等是否具有足够的裕度。检查的数据涉及温度范围方面的VF，CTR，允许电流等以及负载电阻相关的开关速度，暗电流的影响等。

特别的，在使用电偶时千万要注意确认器件使用寿命，光耦的输入LED光输出会随着时间的推移而减弱。必须确认特性满足要求，同时必须考虑器件在使用寿命目标期间的退化趋势。光耦的老化变化可以根据输入电流（IF）和环境温度来计算。