【導讀】光耦是在電路接口中常用到的器件。它的前向電流轉移係數隨著不同的型號、工作點的不同而會發生變化。本文中的光耦振蕩電路則是利用了電流轉移係數大於1所帶來的電流增益而工作的。

光耦是在電路接口中常用到的器件。它的前向電流轉移係數隨著不同的型號
、工作點的不同而會發生變化。本文中的光耦振蕩電路則是利用了電流轉移係數大於1所帶來的電流增益而工作的。通過對PC851

、TLP521的電流轉移係數的測量，獲得了它們電流增益隨著工作電流不同變化情況
，也驗證了光耦震蕩電流的工作原理。

01 振蕩電路

1.1 電路工作情況

今天在西瓜視頻中看到一個一分鍾的短視頻：光耦可以這樣用，你絕對想不到的小發明[1] 展示了一個有趣的LED閃爍電路。核心是圍繞找一個光耦（型號不詳），外部增加相應的阻容和LED與器件
，構成一個閃爍電路。

▲ 圖  由單個光耦組成的振蕩電路

在給電路施加+9V電壓之後，電路的LED便開始閃爍（1Hz左右）。

▲ 圖  連接電源之後電路工作情況

1.2 電路工作原理

視頻中給出了這個神奇電路的原理圖，如下圖所示。如果沒有反饋電容 C1的存在，這個電路就不會振蕩。

有了C1，它就會將光耦輸出負載電阻R2上的一部分電流反饋到輸入發光二極管中，增加了 輸入電流，這是一個正反饋。如果光耦前向耦合電流增益
，也就是輸出飽和電流與輸入發光二極管電流比值
，大於1的話，正反饋就會持續增強，直到光耦輸出飽和。

▲ 圖1.3 振蕩電路原理圖

隨著電容C1充電電壓增加，反饋到輸入級電流減小，直到降為0。此時光耦輸出級就從飽和退回到電流放大狀態，使得R2上的電壓減小，而減小的電壓反過來通過C1耦合到輸入端
，使得輸入電流進一步減小，直到使得光耦輸出截止。

截止後，電源電壓通過R1，C1，R2回路形成外部的充電電流
，直到C1上的電壓超過輸入發光二極管的導通電壓，光耦再次進入導通狀態。上述過程重複形成振蕩。

▲ 圖  搭建電路運行情況

下麵顯示了光耦的PIN1端、PIN3端的電壓波形。可以看到光耦飽和狀態的時間很短，此時對C1的充電是 LED，光耦三極管
，C1
，輸入發光二極管。

光耦截止時間很長，此時對C1的充電回路是R1、C1、R2，因此對應的時間常數比較大。

▲ 圖1.4 PIN3（藍色），PIN1（青色）波形

上述振蕩電路工作的條件是光耦的前向耦合電流放大係數大於1 才行。這就涉及到光耦前向電流轉移係數。下麵通過實際電路測試兩個型號光耦前向轉移係數。

02 電路測試

2.1 光耦電壓傳輸特性

手邊有兩款光耦： PC851-高電壓光耦[2] ，以及 TLP521[3] 下麵分別測量它們的電流轉移係數。

2.1.1 PC851

PC851是一款輸出耐高壓的光耦，根據它的手冊可以查到對應的電流轉移係數

電流轉移係數比較小
，大部分情況下都小於1；電流轉移係數與工作電流大小以及環境溫度都有關係；

如下圖所示。

▲ 圖2.1.1 在不同的前向電流與環境溫度下的電流傳輸係數

下麵是測量光耦電流轉移係數的電路
，由於比較簡單
，大家可以直接在麵包板上看到測量原理。

使用萬用表分別測量R1
，R2上的電壓，可以獲得輸入電流和輸出電流。計算它們的比值可以獲得電流轉移係數。

調節電路的電源電壓
，從小到大，可以獲得不同工作電流下的電流轉移係數。

▲ 圖2.1.2 測試光耦電流傳遞係數電路

下麵顯示了測量電路工作的電壓從3V一直到15V
，采樣100個測試點下的輸入電流與輸出電流的大小。可以看到隻有當工作電壓超過11V之後，輸出電流的才超過了輸入電流，對應的電流係數才能夠大於1。

▲ 圖2.1.3 光耦輸入電流與集電極電流

下圖顯示了電流轉移係數的變化。由於PC851是耐高壓光耦，因此它的光敏三極管的電流增益較小
，從而使得光耦前向電流轉移係數比較小。

▲ 圖2.1.4 光耦電流增益

2.1.2 TLP521

TLP521 是shi一yi款kuan低di壓ya光guang耦ou
，被bei通tong常chang應ying用yong在zai電dian路lu隔ge離li接jie口kou上shang。它ta對dui應ying的de前qian向xiang電dian流liu轉zhuan移yi係xi數shu相xiang對dui比bi較jiao大da。通tong過guo數shu據ju手shou冊ce也ye可ke能neng看kan到dao它ta的de電dian流liu轉zhuan移yi係xi數shu與yu工gong作zuo電dian流liu和he外wai部bu環huan境jing溫wen度du有you關guan係xi。

▲ 圖2.1.5 在不同的前向電流與環境溫度下的電流傳輸係數

下圖是使用同樣的辦法獲得TLP512的輸入電流與輸出電流變化曲線，可以看到它的電流轉移係數始終大於1。

▲ 圖2.1.6 測量不同的前向電流與集電極電流

▲ 圖2.1.7 前向電流係數

2.2 不同工作電壓

根據前麵分析，可以看到PC851的電流轉移係數相對比較小，隻有當輸入電流超過一定閾值之後，它的電流增益才能夠大於1。所以使用PC851搭建前麵的振蕩電路，則需要比較高的工作電壓。

下麵驗證這個結論，下麵使用萬用表的頻率檔測量光耦的PIN3管腳，如果電路震蕩，可以讀取到輸出信號的頻率。如果電路不振蕩，則萬用表讀取的頻率為0。

為了更好地測量頻率
，將電路中的反饋電容C1的容量改為10uF，此時電路的振蕩頻率達到100Hz左右。

下麵是測量工作電壓在1V ~ 20V之間，電路振蕩頻率。

▲ 圖2.2.1 不同的工作電壓下輸出頻率

可以看到隻有當電壓超過11V之後

，電路才能夠振蕩。振蕩頻率相對比較穩定。

將電路中的光耦更換為TLP521，由you於yu它ta的de電dian流liu轉zhuan移yi係xi數shu比bi較jiao大da，所suo以yi電dian路lu的de工gong作zuo電dian壓ya比bi較jiao低di的de時shi候hou

，電dian路lu就jiu開kai始shi震zhen蕩dang了le。下xia圖tu顯xian示shi了le該gai電dian路lu的de振zhen蕩dang頻pin率lv與yu工gong作zuo電dian流liu之zhi間jian的de關guan係xi。

▲ 圖2.2.2 不同的工作電壓下輸出頻率

當工作電壓超過19V之後，光耦的工作電流很大
，此時TLP512的電流增益下降
，電路就會停止工作。

※ 電路總結 ※

光耦是在電路接口中常用到的器件。它的前向電流轉移係數隨著不同的型號、工作點的不同而會發生變化。本文中的光耦振蕩電路則是利用了電流轉移係數大於1所帶來的電流增益而工作的。通過對PC851、TLP521的電流轉移係數的測量，獲得了它們電流增益隨著工作電流不同變化情況，也驗證了光耦震蕩電流的工作原理。

參考資料

[1]光耦可以這樣用，你絕對想不到的小發明: https://www.ixigua.com/7016565298442535454

[2]PC851-高電壓光耦: https://max.book118.com/html/2018/0316/157506247.shtm

[3]TLP521: https://blog.csdn.net/dark_blue_sea/article/details/5488015

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