光耦合器(opticalcoupler,英文縮寫為OC)亦稱光電隔離器或光電耦合器,簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件,通常把發光器(紅外線發光二極管LED)與受光器(光敏半導體管)封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發光器發出光線,受光器接受光線之后就產生光電流,從輸出端流出,從而實現了“電—光—電”轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器,由于它具有體積小、壽命長、無觸點,抗干擾能力強,輸出和輸入之間絕緣,單向傳輸信號等優點,在數字電路上獲得廣泛的應用。
開關穩壓電源中光耦產生傳遞信號
開關穩壓電源的最大特點就是靈活,其能為電路提供各類不同的電壓等級電源。而在光電耦合器中光電耦合器也起著同樣的作用,光電耦合器能為開關穩壓電源提供兩種截然不同的信號,那么這兩種信號是什么?信號又是怎樣被傳遞的呢?
光電耦合器在開關穩壓電源中傳遞的信號有兩種,一種是開關信號,另一種是誤差放大信號。這兩種不同的運用,需要在發光二極管及光敏三極管的不同狀態(飽和、截止或放大區)下才能進行傳遞開關信號或放大誤差信號。
傳遞開關信號
①-②(發光二極管)電位差:1.2V/1.3V(發光強)。
④-③(光敏三極管飽和導通)電位差:O.1V~0.4V(飽和壓降)IC最大,約幾毫安。
①-②(發光二極管)電位差:小于0.7V(不發光)。
④-③(光敏三極管截止)電位差:大于6V(根據電源電壓不同,接近電源電壓)、IC≈0。
傳遞誤差放大信號
①~②(發光二極管)電位差:1V左右變化(亮度變化很靈敏)。
④~③(光敏三極管工作于放大區)電位差:5V~10V變化(根據電源電壓和負載線有所不同)IC約在lmA~3mA之間變化。
如使用光電耦合器還必須采用如圖1所示的比較放大器(也可用分立元件組成),將取樣電壓(B+)的變化值分壓后加在三極管的基極上。與發射極上穩定的電位作比較,放大后由集電極輸出。集電極電流的變化也就是發光二極管電流的變化,使發光二極管在靈敏區亮度變化,并將誤差信號反相放大后傳遞給光敏三極管,再經控制放大電路才能達到穩定B+的目的。
最后還需說明一點,在我國大屏幕彩電中采用STR-S6709系列或STR-M6800系列厚膜電路很多,這兩種IC內部的振蕩器中,是用光耦反饋電流改變振蕩器中電容器的充電電流,從而控制達到門限電壓Vthl≈O.73V的充電時間。新型的STR-G8656系列IC內部,使用了直流偏置來控制導通時間。以便微調功率開關場效應管的占空比,達到穩壓的目的。兩者可靠性均相同,后者電路更簡單。
光耦在開關電源中的應用
光耦的特點:具有信號單向傳輸性,從而實現輸入端與輸出端的電氣隔離,即:輸出信號對輸入端無影響,具有抗干擾能力強、工作特性穩定、高可靠性、傳輸效率高等優點,通常被應用與開關電源控制回路中。
光耦在開關電源中的典型應用原理:從輸出端采樣,獲取誤差信號,然后把信號通過轉換、隔離傳輸到輸入端IC的PWM控制器,通過調節PWM占空比的大小,實現高精度穩壓輸出。
光耦與TL431的組合使用,構成最簡單的開關電源控制回路(反饋回路),實現穩壓輸出,如圖所示,Vs為輸出電壓Vo分壓后的提供給TL431誤差放大器反相端的采樣型號,該采樣信號Vs通過光耦二極管、TL431、電阻R1轉換為電流信號IF,然后傳輸到光耦輸出端,形成誤差信號Vea,與PWM控制器的三角波Vt進行比較,得到矩形脈沖(具有一定占空比的PWM信號Vb),然后調節功率級器件的導通、截止時間,達到穩定輸出的目的。
反饋環路的穩定性對開關電源來說是非常重要的,如果沒有足夠的相位余量和增益余量,電源的動態特性就會變差或直接導致輸出振蕩,使產品損壞或者縮短使用壽命。
在設計開關電源控制回路時,要充分考慮反饋環路的穩定性,使其具有負反饋特性:為了使產品能工作在最惡劣的情況時,仍保持穩定,理論至少需要45°的相位余量。
圖紅框的器件要素就構成一個具有2型補償的反饋環路。TL431是開關電源次級反饋最常用的基準和誤差放大器件,其供電方式不同對它的傳遞函數有很大的影響。在研發設計階段,工程師一般都會借助環路測試儀器,調試環路的穩定性,縮短產品的開發周期,提高產品的穩定性、可靠性。
光耦在開關電源中的應用主要是提供初級輸入與次級輸出間的電氣隔離、與TL431組合的反饋控制環路,所以在電路設計時,必須遵循下列原則:
1、根據產品輸入、輸出間的隔離耐壓,選擇符合國內、國際相關隔離擊穿電壓標準的光耦;
2、電流傳輸比(CTR)的理想范圍是50%~200%。這是因為當CTR過小時,光耦中的LED需要較大的工作電流,這會增大光耦的功耗;當CTR過大時,在電路啟動或者負載突變時,有可能影響正常輸出;
3、優先選擇線性光耦,因為CTR值在一定的范圍內,具有較好的線性調整。