TLP293-4光耦電路應(yīng)用問題分析

關(guān)注“電源先生”，解析開關(guān)電源

01、簡介?

曾經(jīng)，在軌道車項目電路板D02_MB_V100和D02_MB_V101兩個版本的實際應(yīng)用中遇到繼電器無法可靠吸合的問題，本文從理論上分析了繼電器無法可靠吸合的原因，記錄了改進(jìn)測試的結(jié)果，并提出了改善該問題的方案，且在后續(xù)電路板D02_MB_V102版本的應(yīng)用中驗證了該改善方案的有效性。

02、問題分析過程和結(jié)果

圖1?基于射極跟隨器的繼電器驅(qū)動電路

1.?驅(qū)動電路原理圖

根據(jù)圖1 電路板D02_MB_V100版本繼電器驅(qū)動電路（這其實是不正確的負(fù)載驅(qū)動電路，具體詳見[三極管驅(qū)動電路的原理詳解]）和光耦TLP293-4 Datasheet

發(fā)光二極管LED的正向壓降典型值是 VF = 1.25V @ IF = 10mA

LED陽極接限流電阻到24V，當(dāng)限流電阻為2.61k時，可得發(fā)光端的電流為

IF = (24V - VF) / 2.61k = (24V - 1.25V) / 2.61k = 8.72mA

2. 繼電器的吸合電流

圖2?TLP293-4 DS參數(shù)

根據(jù)TLP293-4 Datasheet，DETECTOR端集電極-發(fā)射極飽和電壓典型值為VCE(sat) = 0.2V；

圖3?HFD23/003-1ZS DS參數(shù)

根據(jù)繼電器HFD23/003-1ZS Datasheet，該繼電器的吸合電壓Pick-up Voltage為2.4V，線圈電阻為45R；

可得，繼電器的吸合電流Pick-up Current為 Ipick-up = (2.4V - 0.2V) / 45R = 48.89mA

3.?光耦的電流傳輸比

根據(jù)TLP293-4 Datasheet，該光耦的電流傳輸比范圍是 CTR = 1 - 6，DETECTOR端的集電極電流最大值為ICmax = 50mA；結(jié)合該繼電器的吸合電流為 Ipick-up = 48.89mA 可知，直接使用該光耦的DETECTOR端驅(qū)動繼電器是無法可靠吸合的，分析過程如下：

當(dāng)CTR = 1時，理論上DETECTOR側(cè)集電極電流IC = 1 * 8.72mA，繼電器無法吸合。

當(dāng)CTR = 6時，理論上DETECTOR側(cè)集電極電流IC = 6 * 8.72mA = 52.32mA，大于繼電器的吸合電流 Ipick-up = 48.89mA，是可以吸合的；但是，實際上，卻無法吸合。

原因是，此時的集電極電流 IC = 52.32mA 已經(jīng)超過了 ICmax = 50mA 的限值，光耦器件會有溫升而導(dǎo)致CTR下降。

4. 電路設(shè)計缺陷總結(jié)

圖4?TLP293-4 DS參數(shù)

綜上所述，如圖1所示的電路設(shè)計缺陷在于：1）光耦內(nèi)部DETECTOR的電流驅(qū)動能力有限，針對TLP293-4只有ICmax = 50mA；2）電路被錯誤接成了類似射極跟隨器電路，只有電流放大，沒有電壓放大，導(dǎo)致功率放大不足。

03、改進(jìn)方案和測試結(jié)果?

將光耦LED的限流電阻從2.61k減小到750R，可得增加后的LED電流為IF = (24V - 1.25V) / 750R = 30.33mA當(dāng)CTR = 1時，DETECTOR側(cè)集電極電流IC = 1 * 30.33mA = 30.33mA，繼電器無法吸合。

當(dāng)CTR = 3時，DETECTOR側(cè)集電極電流IC = 2 * 30.33mA = 60.66mA，理論上此時繼電器能夠吸合，但由于超過了集電極電流為50mA的限值，會導(dǎo)致CTR不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致IC = CTR * IF不穩(wěn)定，繼電器的吸合也不穩(wěn)定。實際測試結(jié)果，與上述理論分析相符合，繼電器吸合不穩(wěn)定。

04、改善方案和測試結(jié)果

圖5?改善后的繼電器驅(qū)動電路

圖5是改善后的電路方案，有以下幾點改善：(1) 通過在光耦DETECTOR側(cè)增加NPN三極管Q1，二者一起構(gòu)成達(dá)林頓三極管，具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動能力。說明：電阻R5可根據(jù)實際需要調(diào)整阻值，決定三極管Q1工作于線性放大區(qū)還是飽和截止區(qū)。R4為繼電器線圈預(yù)留的限流電阻位置。

(2) 將感性負(fù)載繼電器轉(zhuǎn)移到達(dá)林頓三極管的集電極（且預(yù)留限流電阻位置R4），這樣既有電流放大，又有電壓放大，具有更大的功率放大能力。

(3) 在感性負(fù)載續(xù)流二極管D2回路上預(yù)留限流電阻位置R7（這點，電路板D02_MB_V102版本中沒有，后續(xù)電路設(shè)計可以增加）。

后續(xù)驗證結(jié)果，繼電器可以可靠吸合和釋放。

05、總結(jié)

本文從理論分析和實際驗證兩個方面解決了軌道車項目中D02_MB電路板通過光耦來驅(qū)動繼電器存在吸合不可靠的問題，對后續(xù)基于光耦來驅(qū)動繼電器的電路設(shè)計具有較好的指導(dǎo)意義。該型號HFD23/003-1ZS感性負(fù)載繼電器直接接在光耦DETECTOR的集電極也不合適，因為繼電器的吸合電流為48.89mA，接近光耦DETECTOR集電極ICmax = 50mA限制，設(shè)計裕量不夠...