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如何选择R1,R2,R3呢。
1.传送速度
光耦隔离的首要作用使输入侧与输出侧电气隔离,传送开关电压信号,电压信号传送频率有多少,我们设计最慢要求是多少,就确定的我们所使用的光耦的带宽。
在这里我们只讨论慢速的信号,如继电器触点信号的输出。说是慢速信号那么我们需要定义一个多少慢的信号,我常常定义在1KHZ的通过率(很多伺服上有定义也说其通过的信号),为什么呢,因为我们CPU处理往往是以1ms做为时间基准,很多信号本身如果响应满足1ms也达到设计目的。
因此我们设计输入时,需要将RC的滤波时间系数设计要小于此点(R2需要并联电容)RC=1/2PI*F(如上可以),如果上R2并联电容可以选择为220nF电容。
输出侧也需要类似设计,如上图的设计就不合格了。
3.输出电阻
输出电阻,如图R3到底是如何选择?
1)光耦允许的最大电流。从抗干扰,越大越好,但大了功耗变大,封装变大,因些也不能太大,目前我设计小于8mA。(常用1~10k电阻,0603封装,这样子所允许的电流8~2.5mA)。
2)光耦特性。光耦输出电流与电压特性可等效成一个可变电阻(光敏三极管实际上相当于一个电阻)。以下是PS2501的特性图。
从上图可以看到,不同IF电流时对应不同的IC-VCE的曲线,如果我们希望输出的开通电流在1mA以上。则IF为1mA的曲线(实际中IF电流可以小于0.5mA不导通)需要设置成不能导通。一般输出侧接74HC14或MCU,如是STM32的IO电压 在1.2V以下。为了保证输出侧无效,则侧输电流需要在1.8mA以上,电阻计算有如下:R3=(3.3-VCE)/ICE,如果ICE=1mA,则用R3=(3.3-1)/1.8=1.27K。可以选择1K。
如果是IF = 0.5mA不导通,上图可以加以估计。R3大约在4.7K左右。
3.输入侧电阻
我们以IF=1mA不导通为例子,通常PS2501我们设计导通电流在8mA(5~10mA)为额定区间,则R1=(24-VF)/8=(24-1.2)/8=2.85K(注意温度的影响)。可以选择3.3K电阻
4.光耦并联电阻
并联电阻作用有多种,可以在对光耦进行反向保护,因为光藕反向时(5~6V)可反向导通,如果反向电压继续升高,器件会损坏。无论是何种都会造成功能失效(刚反向时,光耦会导通)。
但这个电阻不能太小,如果太小,则电流基本上都在电阻上流过而在光耦上没有流过,如果是保护光耦建议加反向二极管进行保护。
另外最重要作用是利用分流,使其在供电电压不足时分流,从而使光耦尽快关断。上面分板时,电流IF小于1mA时,就不能导通了,此时需要电压为V=1mA*3.3K+1.2V=4.35,则无论是何种原理,如供电不足、系统一个开关接多个设备的输入,每个设备如果是多电源或电源回路连接不可靠,会造成电压的反向供电,造成在相关光耦输入脚上产生电压,如果超过4.35V则会导通。
为了提高电压可以使用R2,将分流从而使IF电流不足从而不误导通光耦。可以选择流过R2为0.5mA(或更小),则R2=1.2V/0.5mA=2.4K。
当然为了更加可靠,通过会在光耦输入侧加入一个稳压管电压5~12V,根据实际供电情况选择,这样可以使输入光耦回路更加可靠。
5.从上面分析来看,开头的电路R2需要并联电容,以增加可靠性。
R1的选择可根据实际光耦的工作电流进行计算(如果需要可靠性高,选择CTR低的光耦)。
R2需要根据反向电压以及需要分流电流进行计算,以提高可靠性。
R3的选择需要注意我们选择的光耦不导通IF电流进行计算,另外需要考虑封装、可靠性问题(电流大越可靠,这也是为什么光耦输出脚接缓冲器74HC14整形后再输出,HC14输出电流能力要大于一个串电阻的形式)。
上述选择均需要根据实际的光耦特性进行计算,否则可能产生一些可靠性问题。
我在实际工作中遇到过因一个输出接不同电源,造成光耦反向(大于5V)导通,从而产生误动作。遇到过一个输出动作,而另一个设备的输入供电正电源供电断开,造成反向供电(电流比较大约1mA),而导通的现象。
均是通过反向并联,增加反向稳压管,增加R2电阻选择使理的R1与R3提高了现场的适应性。