4N25光耦合器：简单的应用电路

介绍
4N25是一款6引脚光电晶体管耦合器。本文根据其传动特性介绍了4N25 的非线性和线性应用。
 
4N25概述
光电耦合器4N25的内部电路结构如图1所示。
 
 
 

图1.4N25内部电路结构

该芯片为双列直插式器件，外引线为6根，输入端发光二极管由发光二极管组成。

当器件Ta=25°C时，其极限参数为：

1.LED的正向电流为80mA;

2.光电晶体管设定光束电压为30V;

3.总功耗为250mW;

4.输入输出之间的绝缘耐压为2500VDC;

5.工作温度-55°C~100°C。

4N25传输特性

当电路中的电源电压为Vcc=5V，集电极电阻Rc=1kΨ且基极开路时，通过光电耦合器4N25的在线测试，数据如表1所示。

表1

其传输功能具有以下特点：

当输入电流IF=0时，输出电流IS=0。表示发光二极管不发光，光电晶体管在没有光的情况下被切断;

当输入电流IF=0.5mA时，输出电流IC=0.22mA，IF>IC。表示发光二极管已经开始发光，光电晶体管光线较弱，不在截止区域;

当输入电流IF为1~4mA时，输出电流IC为0.7~4.19mA，IF

当输入电流IF=4.5mA时，输出电流IC=4.4mA，IF>IC。结果表明，当IF增加到一定程度时，IC不能继续线性变化。之后，电流传输比下降，光电耦合器开始进入饱和状态。

从上面的分析可以看出，中频的大小决定了电路的工作状态。如果IF太大或太小，电路在输出特征的非线性区域工作。仅在一定范围内，它工作在输出要素的线性区域

4N25应用电路

由光电耦合器4N25组成的应用电路如图2所示。

1. R1是直流偏置电阻。R1用于调节电路的静态工作点。确定电路IF和VF后，R1的电阻取决于偏置VI的值，即R1=（VI-VF）/IF。在公式中，VI的值必须至少是VF的2倍。

2. R2是集电极电阻。输出信号由R2输出。R2的电阻选择与输入信号的驱动能力有关。驱动能力强，阻力可以更小。相反，电阻值可以更大，一般可以选择几百到几千Ψ之间。

3. R3是基极分流电阻。R3用于改变对入射光的灵敏度，以提高电路的动态性能，提高信号传输质量。其值一般在几百kΨ左右。

4. C1是耦合电容。C1起到阻断直接通信的作用，其值由信号的基频决定，一般在几十微法拉左右。

4N25非线性应用

图2.4N25应用电路

 

从图2所示的电路来看：

如果直流偏置电阻R1的电阻选择较大，则输入静态工作电流IF较小。此时，发光二极管处于略微导通状态。

然后，当输入信号低时，输出集电极电流IC也很小，集电极到发射极电压UCE最大，输出信号高。

相反，当输入信号处于高电平时，发光二极管工作电流IF最大，输出集电极电流IC也最大，集电极-发射极电压UCE最小，输出信号处于低电平。

如果输入是连续数字信号，则电路工作在饱和和截止状态，输出信号随输入信号的高低电平变化而变化，相位相反，幅值由电源电压Vcc的大小决定。

当电路处于非线性应用中时，输入可以有2种驱动模式：

1.有偏见的间接驱动。也就是说，输入信号通过耦合电容添加。

2.无偏置直流驱动。即不使用R1和C1，输入信号直接通过限流电阻添加。

两种驱动电路的区别在于，前者要求输入信号的驱动能力较弱，而后者要求输入信号的驱动能力较强。

在光电耦合器4N25的非线性应用中，基极分流电阻R3的值对信号传输质量的影响较大。

它的值不能太小或太大。

太小不利于目前的转移率。因为它会延长光电晶体管的饱和过程，所以输出波形下降沿的底部会变慢。

太大不利于光电晶体管的快速切断。因为，它会导致输出波形上升沿的顶部变慢。

因此，R3的电阻必须适当。R3电阻对输出波形的影响如图3所示。

图3.R3电阻对输出波形的影响

 

4N25线性应用

在图2所示电路中，如果选择直流偏置电阻R1，则输出端光电晶体管的静态工作点电压UCEQ正好位于负载线线性区域的中点。

然后，当电路动态工作时，当输入正弦波信号大小合适时，电路中每个点的电压和电流将基于静态工作点。

UF=UFQ+uiSinwt

UCE=UCEQ+UceSin（wt-180°），或

IF=IFQ+IfSinwt

IC=ICQ+IcSinwt

发生与输入信号相对应的变化。

可以看出，静态工作点是电路线性工作的保证。

当电源电压Vcc=5V，集电极电阻R2=1kΨ时，合格测试电路具有以下特点：

1.当输入正弦波信号频率f=1kHz，Ui=10mV时，最大不失真输出电压Uo=812mV。可以看出，该电路具有一定的放大能力。

2.从输入和输出波形的比较中，电路可以明显抑制叠加在输入波形中的噪声干扰，使输出波形变得平滑稳定，提高输出信噪比。

3.如果改变输入信号的频率，当电路放大因数下降到0.707倍时，上限频率fh=30kHz，下限频率fl=30Hz。可以看出，该电路具有更宽的振频特性。

结论

在非线性应用中，光电耦合器4N25是高电平和低电平信号，因为电路的输入和输出都是高电平和低电平。因此，无需设置或设置较低的静态工作点，电路工作在非线性状态。在线性应用中，因为信号传输时没有失真。因此，应根据动态工作的要求设置合适的静态工作点，使电路以线性状态工作。此外，电路的输入输出交直流电路不能共享接地，否则将失去其应用功能。

审核编辑 黄宇