Ключи на оптронах: Ключ на оптроне

Содержание

Все своими руками Оптоэлектронные ключи с защитой по току

Опубликовал admin | Дата 13 августа, 2017

Так называется статья, размещенная в журнале Радио двадцать семь лет назад, но мне показались очень актуальными эти схемы и сейчас. Они прекрасно подойдут для согласования выходов микроконтроллеров и нагрузок. Предлагаю вашему вниманию эту стать с небольшой редакцией.

Транзисторные ключи с оптоэлектронной гальванической развязкой цепей управления широко применяют в аппаратуре передачи информации, в системах управления технологическим оборудованием, однако такие ключи обычно не имеют защиты от перегрузки по току или замыкания нагрузочной цепи. Это существенно снижает показатели надежности подобной аппаратуры. На рис. 1 представлена схема оптоэлектронного ключа с защитой от перегрузки по току*.

Преимущество этого устройства заключается в том, что его узел электронной защиты прост по схеме, а мощность, рассеиваемая выходным транзистором ключа в режиме замыкания выходной цепи – режим короткого замыкания, не превышает мощности, рассеиваемой этим транзистором при коммутации номинального тока.

Оптоэлектронный ключ имеет весьма совершенные технические характеристики: напряжение питания — 24...30 В; номинальный ток коммутации — 0,7 А; напряжение гальванической развязки — не более 100 В; ток управления — 10...15 мА; ток замыкания выходной цепи — не более 20 мА. Использование транзисторных оптронов АОТ127Б или АОТ128Б вместо АОТ123Б позволяет увеличить напряжение гальванической развязки до 500 В или 1500 В соответственно. При замене выходного транзистора КТ817Б на транзистор КТ827В номинальный ток коммутации можно увеличить до 10 А.

В исходном состоянии, когда нет тока в цепи светодиода оптрона U1, будет закрыт и транзистор оптрона, а значит, и транзисторы VT1 и VT2. При появлении управляющего сигнала Uвх оптрон откроется и через резистор R3 на базу транзистора VT1 поступает отрицательный открывающий его потенциал. Резистор R4 задает ток эмиттера транзистора VT1. Большая часть этого тока является базовым током транзистора VT2. Таким образом, когда откроется транзистор VT1, транзистор VT2 окажется в режиме насыщения и через нагрузку Rн потечет ток, расчетное значение которого должно быть меньше произведения тока базы этого транзистора на его статический коэффициент передачи тока. В этом состоянии диод VD1 будет закрыт обратным напряжением, и не будет влиять на работу ключа. В случае уменьшения сопротивления нагрузки, ток в ее цепи будет увеличиваться до тех пор, пока транзистор VT2 не начнет выходить из насыщения. Увеличение падения напряжения между его коллектором и эмиттером приведет сначала к открыванию диода VD1, а затем к уменьшению падения напряжения на резисторе R2. При этом уменьшится ток эмиттера транзистора VT1, а значит, еще более закроется транзистор VT2 и уменьшится его ток коллектора. В случае замыкания цепи нагрузки падение напряжения на резисторе R2 не превысит падения напряжения на открытом диоде VD1 (около 0,7 В), поэтому будет весьма мал и ток эмиттера транзистора VT1. Сопротивление резистора R5 выбирают таким, чтобы падение напряжения на нем от тока коллектора транзистора VT1 было недостаточным для открывания транзистора VT2. В цепи нагрузки будет протекать только прямой ток диода VD1. Таким образом, ток замыкания будет значительно меньше номинального коммутируемого тока. После устранения короткого замыкания ключ автоматически возвращается в рабочий режим. Дальнейшая работа по совершенствованию оптоэлектронного ключа позволила создать устройство** с аналогичными техническими характеристиками, но построенное на еще меньшем числе элементов. Его схема показана на рис. 2.

Упростить ключ оказалось возможным благодаря использованию вывода базы фототранзистора оптрона для управления его работой. Зависимость тока коллектора фототранзистора оптрона от тока управления при двух значениях сопротивления резистора R1 в цепи базы представлена на рис. 3.

При нулевом напряжении на базе транзистора оптрон по передаточной характеристике подобен диодному оптрону с коэффициентом передачи тока около 0,7. При паспортном значении сопротивления резистора R1 =1 МОм уже при токе управления 5 мА и более оптрон АОТ110Б будет надежно открыт. Сопротивление резистора R3 выбирают таким, чтобы в режиме замыкания цепи нагрузки падение напряжения на нем было недостаточным для открывания транзистора VT1. Поэтому мощность, рассеиваемая этим транзистором, как в нормальном режиме работы, так и при замыкании нагрузки, не превысит 1 Вт. Примерно такую же мощность будет рассеивать и резистор R3. Использование предлагаемых оптоэлектронных ключей с защитой по току позволяет существенно упростить согласование цифровых выходов систем управления с исполнительными устройствами и повысить надежность их эксплуатации.

г. Черновцы В. БАКАНОВ Радио 1990 №8 стр. 58
* Техническое решение, положенное в основу ключа, защищено авторским свидетельством СССР N" 1354409. Опубликовано в бюл. «Изобретения, открытия,...» № 43 от 23.11.87
** Техническое решение, положенное в основу ключа, защищено авторским свидетельством СССР N" 1398074. Опубликовано в бюл. «Изобретения, открытия,...» № 10 от 25.05.88

Ключи можно с успехом использовать для управления светодиодными лентами, двигателями постоянного тока в устройствах автоматики, электромагнитами, нагревательными элементами. В любом случае при возникновении аварийной ситуации в цепи нагрузки микроконтроллер останется не поврежденным. Для увеличения коммутируемого тока нагрузки в схеме на рисунке 2 в качестве транзистора VT1 можно применить КТ825 или импортный транзистор из серии TIP, например,

TIP147. С током коллектора 10А.

Скачать статью

Скачать “tranzistornyj-klyuch-s-opticheskoj-razryadkoj” tranzistornyj-klyuch-s-opticheskoj-razryadkoj.rar – Загружено 487 раз – 227 КБ

Обсудить эту статью на - форуме "Радиоэлектроника, вопросы и ответы".

Просмотров:1 815


Оптоэлектронный ключ

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в различной аппаратуре управления или передачи данных. Техническим результатом является расширение области применения. Оптоэлектронный ключ содержит два транзисторных оптрона, электронный ключ, формирователь короткого импульса по срезу входного сигнала, пять резисторов, входную шину, выходную шину и четыре шины питания. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в различной аппаратуре управления или передачи данных.

Известен оптоэлектронный ключ с защитой по току (а.с. СССР N 1398074 от 08.05.86 "Оптоэлектронный ключ с защитой по току", МКИ: H 03 K 17/08, автор В.В. Баканов, опубл. в БИ N 19, 1988 г.), который в режиме использования без защиты от перегрузки по выходному току содержит транзисторный оптрон, транзистор, проводимость которого противоположна проводимости фототранзистора транзисторного оптрона, и три резистора. Светодиод транзисторного оптрона подключен к входным шинам. Коллектор фототранзистора транзисторного оптрона соединен с базой транзистора и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером транзистора и с первой шиной питания. База в эмиттер фототранзистора транзисторного оптрона соединены соответственно через второй и третий резисторы со второй шиной питания. Коллектор транзистора через нагрузку соединен со второй шиной питания. Недостатком устройства является относительно сильное искажение (расширение и длинный срез) сигнала на выходе транзисторного оптрона из-за расширения входного сигнала его фототранзистором. Такое расширение сигнала фототранзистором складывается из задержки начала его выключения и самой длительности выключения после окончания входного сигнала оптрона, обусловленных медленным рассасыванием неосновных носителей из области базы, и сильно зависит от условий и режимов эксплуатации устройства (от изменения температуры окружающей среды, соотношения токов светодиода и коллектора фототранзистора оптрона, то есть от коэффициента передачи, а также от сопротивления между выводами базы и эмиттера фототранзистора). По данным технических условий на транзисторные оптроны с одинарным фототранзистором указанная задержка их выключения в испытательных режимах в нормальных условиях может достигать до 10 и более мкс, а у транзисторных оптронов с составным фототранзистором - до 100 и более мкс. В реальных же электрических режимах и в рабочем диапазоне температур задержка выключения транзисторных оптронов существенно увеличивается. Например, у транзисторного оптрона 30Т122А длительность его выключения и, следовательно, расширение сигнала на выходе оптрона в диапазоне температур окружающей среды от минус 40
o
C до 50oC при токе светодиода Jвх 5 мА, токе коллектора фототранзистора Jк 1 мА и сопротивлении между выводами базы и эмиттера последнего Rб 1 мОм может находиться, как показывают измерения, в пределах 150-310 мкс (между уровнями, 1,0 Um - 0,1 Um). Указанное расширение сигнала на выходе транзисторного оптрона определяется, в основном, задержкой выключения его фототранзистора и практически не зависит от длительности включения фототранзистора и ее нестабильности (поскольку они существенно меньше длительности выключения фототранзистора), а также от длительности входного сигнала, если она достаточна для введения фототранзистора в насыщение. Определенную зависимость длительности выключения фототранзистора оптрона (то есть, расширения сигнала на выходе последнего) от значения сопротивления между выводами его базы и эмиттера для уменьшения явления расширения сигнала на выходе оптрона практически невозможно использовать, поскольку уменьшение этого сопротивления приводит к уменьшению коэффициента передачи оптрона, компенсация которого не всегда возможна или приемлема. Попытка существенного укорочения выходного сигнала оптрона с помощью пороговых устройств подключаемых к выходу оптрона также не дает заметного результата ввиду колоколообразной формы характеристики выключения фототранзистора оптрона. Указанное искажение выходного сигнала транзисторного оптрона, обусловленное его расширением в оптроне из-за медленного рассасывания неосновных носителей из области базы его фототранзистора, приводит к ограничению области его применения. Известен оптоэлектронный ключ, управляющий мощной нагрузкой (см. книгу: Ленк Дж. Электронные схемы. Практическое руководство. Пер. с англ., М., Мир, 1985 г., стр. 223, рис. 7.27), выбранный в качестве прототипа и в режиме управления маломощной нагрузкой содержащий транзисторный оптрон, три резистора и электронный ключ. Первый вывод светодиода транзисторного оптрона через первый резистор подключен к первой шине питания, второй вывод - к первому выводу электронного ключа, второй и третий выводы которого подключены соответственно к входной шине устройства и к второй шине питания. Коллектор фототранзистора оптрона через второй резистор соединен с третьей шиной питания и непосредственно - с выходной шиной устройства, а база и эмиттер соответственно через третий резистор и непосредственно - с четвертой шиной питания. Недостатком данного устройства также является ограниченность области его применения, обусловленная сильным искажением (расширение и длинный срез) импульсных сигналов на выходе его транзисторного оптрона. Задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является создание оптоэлектронного ключа с расширенной областью применения за счет существенного уменьшения искажения (расширения) импульсных сигналов фототранзистором оптрона, обусловленного медленным рассасыванием неосновных носителей из области базы фототранзистора после окончания входного сигнала. Технический результат, заключающийся в расширении области применения оптоэлектронного ключа достигается тем, что в оптоэлектронный ключ, содержащий первый транзисторный оптрон, первый вывод светодиода которого через первый резистор подключен к первой шине питания, второй вывод - к первому выводу электронного ключа, второй и третий выводы которого подключены соответственно к входной шине устройства и к второй шине питания, коллектор фототранзистора первого транзисторного оптрона через второй резистор соединен с третьей шиной питания и непосредственно - с выходной шиной устройства, а база и эмиттер соответственно через третий резистор и непосредственно - с четвертой шиной питания, введены четвертый и пятый резисторы, формирователь короткого импульса по срезу входного сигнала и второй фототранзисторный оптрон, первый вывод светодиода которого через четвертый резистор подключен к первой шине питания, второй вывод - к первому выводу формирователя короткого импульса, второй вывод которого подключен к входной шине устройства, третий вывод - к второй шине питания, коллектор фототранзистора второго транзисторного оптрона соединен с базой фототранзистора первого транзисторного оптрона, а база и эмиттер соответственно через пятый резистор и непосредственно - с четвертой шиной питания, притом формирователь короткого импульса по срезу входного сигнала содержит инвертор, элемент И-НЕ с открытым коллекторным выходом, резистор и конденсатор, причем вход инвертора является вторым выводом формирователя и соединен с первым выводом резистора, выход соединен с первым входом элемента И-НЕ, выход которого является первым выводом формирователя, второй вход элемента И-НЕ соединен со вторым выводом резистора и с первым выводом конденсатора, второй вывод которого является третьим выводом формирователя. Указанная совокупность признаков позволяет расширить область применения оптоэлектронного ключа за счет существенного уменьшения искажения (расширения) длительности импульсных сигналов на выходе фототранзистора оптрона путем принудительного сокращения времени рассасывания неосновных носителей из области базы фототранзистора оптрона после окончания входного сигнала шунтированием перехода база-эмиттер фототранзистора переходом коллектор-эмиттер открытого фототранзистора второго транзисторного оптрона. На фиг. 1 приведена схема оптоэлектронного ключа, на фиг. 2 - один из возможных вариантов реализации формирователя короткого импульса по срезу входного сигнала, на фиг. 3 - временные диаграммы работы функциональных элементов оптоэлектронного ключа. Оптоэлектронный ключ содержит первый 1 и второй 2 транзисторные оптроны, электронный ключ 3, формирователь 4 короткого импульса по срезу входного сигнала, первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8 и пятый 9 резисторы, входную шину 10, выходную шину 11, первую 12, вторую 13, третью 14 и четвертую 15 шины питания. Первый вывод светодиода оптрона 1 через резистор 5 подключен к первой шине 12 питания, второй вывод - к первому выводу (выходу) электронного ключа 3, второй вывод (вход) которого подключен к входной шине 10, а третий вывод - к второй шине 13 питания. Коллектор фототранзистора оптрона 1 непосредственно соединен с выходной шиной 11 и через резистор 6 - с третьей шиной 14 питания, база через резистор 7, а эмиттер непосредственно - с четвертой шиной 15 питания. Первый вывод светодиода оптрона 2 через резистор 8 подключен к первой шине 12 питания, второй вывод - к первому выводу (выходу) формирователя 4, второй вывод (вход) которого соединен со входной шиной 10, третий вывод - со второй шиной 13 питания. Коллектор фототранзистора оптрона 2 соединен с базой фототранзистора оптрона 1, база через резистор 9, а эмиттер непосредственно - с четвертой шиной 15 питания. Формирователь 4 содержит (см. фиг. 2) инвертор 16, вход которого является вторым выводом (входом) формирователя 4 и соединен с первым выводом резистора 17, выход - с первым входом элемента 18 И-НЕ с открытым коллекторным выходом, выход которого является первым выводом (выходом) формирователя 4. Второй вход элемента 18 И-НЕ соединен со вторым выводом резистора 17 и первым выводом конденсатора 19, второй вывод которого является третьим выводом формирователя 4. Электронный ключ 3 выполняется на инверторе с открытым коллекторным (или стоковым) выходом, при срабатывании подключает второй вывод светодиода оптрона 1 к шине питания 13. Оптроны 1 и 2 могут содержать как составные, так и одинарные фототранзисторы. Возможен вариант оптоэлектронного ключа, в котором оптрон 1 содержит составной фототранзистор, а оптрон 2 - одинарный (поскольку коммутируемый последним ток невелик и для него необязателен большой коэффициент передачи). Такой вариант оптоэлектронного ключа является более быстродействующим, чем вариант, в котором оба оптрона содержат составные фототранзисторы, поскольку оптрон с одинарным фототранзистором меньше расширяет сигналы. Оптоэлектронный ключ (фиг. 1) работает следующим образом. В исходном состоянии на входной шине 10 поддерживается низкий уровень напряжения (сигнала нет), электронный ключ 3 закрыт, на выходе формирователя 4 - высокий уровень напряжения, поэтому через светодиоды оптронов 1 и 2 тока нет, фототранзисторы оптронов 1 и 2 закрыты, на выходной шине 11 - высокий уровень напряжения (выходного сигнала нет). Такое исходное состояние устройства сохраняется до подачи по входной шине 10 входного сигнала. При подаче входного сигнала - высокого уровня напряжения (см. фиг. 3, U
10
, моменты t1, t4) электронный ключ 3 открывается, через светодиод оптрона 1 начинает протекать ток и открывается его фототранзистор, на выходной шине появляется выходной сигнал - низкий уровень напряжения (см. фиг. 3, U11, моменты t1, t4). При этом сохраняются исходные состояния формирователя 4 и оптрона 2. При снятии входного сигнала формирователь 4 формирует короткий импульсный сигнал (см. фиг. 3, U4, моменты t2, t5), на время длительности которого второй вывод светодиода оптрона 2 оказывается подключенным к шине питания 13. Это приводит к протеканию тока через этот светодиод и открыванию фототранзистора оптрона 2 (см. фиг. 3, U2, моменты t2, t5). В результате база фототранзистора оптрона 1 оказывается подключенной к шине питания 15, при этом происходит быстрый "отсос" неосновных носителей из области базы фототранзистора и последний быстро закрывается (см. фиг. 3, U11, моменты t2, t5). Выходной сигнал оптрона 1, то есть оптоэлектронного ключа, по длительности практически равен входному (поскольку задержка фронта выходного сигнала относительно фронта входного, обусловленная задержкой включения оптрона 1, практически равна задержке среза выходного сигнала относительно среза входного, обусловленной задержке включения оптрона 2) и имеет крутые фронт и срез. Через определенное время после снятия входного сигнала, обусловленное рассасыванием неосновных носителей из области базы, закрывается оптрон 2 (см. фиг. 3, U2, моменты t3, t6). Однако ни длительность открытого состояния оптрона 2, ни длительность среза его выходного сигнала уже не оказывают влияния на формирование среза выходного сигнала оптоэлектронного ключа, поскольку фототранзистор оптрона 1 принудительно закрывается практически уже при открывании фототранзистора оптрона 2 (сразу после снятия входного сигнала). Очередной входной сигнал должен подаваться на вход оптоэлектронного ключа после полного выключения оптрона 2. Следовательно, частота пропускания импульсных сигналов через оптоэлектронный ключ зависит от времени полного выключения оптрона 2. Однако время полного выключения оптрона 2 может быть выбрано значительно меньшим, чем время полного выключения оптрона 1 без элементов, сокращенных время его выключения (то есть без формирователя 4, оптрона 2 и резисторов 8, 9), поскольку фототранзистор оптрона 2 может работать при меньшей степени насыщения, следовательно он будет выключаться быстрее, что позволяет увеличить частоту пропускания импульсных сигналов через устройство. Такой же эффект может быть получен при использовании в качестве оптрона 2 оптрона с одинарным фототранзистором, выключающимся быстрее, когда в качестве оптрона 1 использован оптрон с составным фототранзистором. Таким образом, предлагаемый оптоэлектронный ключ практически не искажает в отличие от прототипа длительности импульсных сигналов, что расширяет область его применения. Кроме того, возможность работы фототранзистора оптрона 2 при меньшей степени насыщения (при однотипных оптронах 1, 2) или использования в качестве оптрона 2 более быстродействующего оптрона (например, оптрона с одиночным фототранзистором, когда оптрон 1 содержит составной фототразистор) позволяет увеличить по сравнению с прототипом частоту пропускания импульсных сигналов через устройство, что также способствует расширению области его применения. В целях подтверждения осуществимости заявляемого объекта и достигнутого технического результата в институте построен и испытан в диапазоне температур от минус 50oC до 50oC лабораторный макет, выполненный с использованием транзисторных оптронов 30Т122А, интегральных микросхем серии 564, дискретных конденсаторов и резисторов. Проведенные испытания показали осуществимость заявляемого оптоэлектронного ключа и подтвердили его практическую ценность.

Формула изобретения

1. Оптоэлектронный ключ, содержащий первый транзисторный оптрон, первый вывод светодиода которого через первый резистор подключен к первой шине питания, второй вывод - к первому выводу электронного ключа, второй и третий выводы которого подключены соответственно к входной шине устройства и к второй шине питания, коллектор фототранзистора первого транзисторного оптрона через второй резистор соединен с третьей шиной питания и непосредственно - с выходной шиной устройства, а база и эмиттер соответственно через третий резистор и непосредственно - с четвертой шиной питания, отличающийся тем, что в него введены четвертый и пятый резисторы, формирователь короткого импульса по срезу входного сигнала и второй транзисторный оптрон, первый вывод светодиода которого через четвертый резистор подключен к первой шине питания, второй вывод - к первому выводу формирователя короткого импульса по срезу входного сигнала, второй вывод которого подключен к входной шине устройства, третий вывод - к второй шине питания, коллектор фототранзистора второго транзисторного оптрона соединен с базой фототранзистора первого транзисторного оптрона, а база и эмиттер соответственно через пятый резистор и непосредственно - с четвертой шиной питания. 2. Оптоэлектронный ключ по п. 1, отличающийся тем, что формирователь короткого импульса по срезу входного сигнала содержит инвертор, элемент И - НЕ с открытым коллекторным выходом, резистор и конденсатор, причем вход инвертора является вторым выводом формирователя и соединен с первым выводом резистора, а выход соединен с первым входом элемента И - НЕ, выход которого является первым выводом формирователя, второй вход элемента И - НЕ соединен со вторым выводом резистора и с первым выводом конденсатора, второй вывод которого является третьим выводом формирователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

Что такое гальваническая развязка. Транзисторный ключ переменного тока Схема гальванической развязки по питанию

Современная жизнь немыслима без телевидения. Во многих квартирах можно встретить по два, а иногда и по три телевизионных приемника. Особенно популярно кабельное ТВ. Но как быть если необходимо подключить несколько телевизоров к одному антенному кабелю? Естественно воспользоваться «китайским» двойником или даже тройником.

Например, таким как этот:

Именно такой двойник-разветвитель я установил на два телевизора для приема каналов кабельного телевидения. Однако качество приема оставляло желать лучшего, если каналы первого метрового диапазона показывали сносно, то каналы второго и ДМВ диапазонов принимались с сильным затуханием сигнала. Разобрав разветвитель, я обнаружил в нем небольшое ферритовое двойное колечко и несколько витков одножильного провода:

Устройство представляет собой высокочастотный трансформатор с противофазной намоткой обмоток. И по идее оно должно исключать взаимное влияние входных цепей приема ВЧ сигнала, но по факту только ослабляло его, видимо за счет того, что имелась гальваническая связь

Я решил заменить трансформатор обычными керамическими емкостями (красными флажками) номиналом в несколько пикофарад, тем самым исключить эту гальваническую связь:

Моему удивлению не было предела, оба телевизора показывали так, как будто работал только один, т.е. ни малейшего намека на взаимное влияние и отличный прием на всех диапазонах.

Емкости уместились в корпусе сплиттера:

Единственно, за что я ругаю себя - почему эта идея не пришла мне в голову раньше.

ЧТО ТАКОЕ OPTOCOUPLER

Optocoupler, также известный как оптрон, является радиоэлектронным компонентом, который передаёт электрические сигналы между двумя изолированными электрическими цепями с помощью инфракрасного света. В качестве изолятора, оптрон может предотвратить прохождение высокого напряжения по цепи. Передача сигналов через световой барьер происходит с помощью ИК-светодиода и светочувствительного элемента, например фототранзистора, является основой структуры оптрона. Оптроны доступны в различных моделях и внутренних конфигурациях. Один из наиболее распространённых - ИК-диод и фототранзистор вместе в 4-выводном корпусе, показан на рисунке.

Определённые параметры не должны превышаться в процессе эксплуатации. Эти максимальные значения используются вместе с графиками, чтоб правильно спроектировать режим работы.

На входной стороне, инфракрасный излучающий диод имеет некоторый максимальный прямой ток и напряжение, превышение которого приведёт к сгоранию излучающего элемента. Но и слишком малый сигнал не сможет заставить светиться его, и не позволит передать импульс далее по цепи.

Преимущества оптронов

  • возможность обеспечения гальванической развязки между входом и выходом;
  • для оптронов не существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости;
  • возможность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей;
  • однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;
  • широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот;
  • возможность передачи по оптронной цепи, как импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;
  • возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации;
  • возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении изменяются по сложному заданному закону;
  • невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а также исключает взаимные наводки;
  • физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и радиоэлектронными приборами.

Недостатки оптронов

  • значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии (электричество - свет - электричество) и невысокими КПД этих переходов;
  • повышенная чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей радиации;
  • временная деградация параметров optocoupler;
  • относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный, как и два предыдущих недостатка, особенностями физики светодиодов;
  • сложность реализации обратных связей, вызванная электрической разобщенностью входной и выходной цепей;
  • конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии, с необходимостью объединения в одном приборе нескольких - отдельных кристаллов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях.

Применение оптронов

  1. В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок.
  2. Другая важнейшая область применения оптронов - оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами. Импульсные блоки питания.
  3. Создание "длинных" оптронов (приборов с протяженным гибким волоконно-оптическим световодом) открыло совершенно новое направление применения изделий оптронной техники - связь на коротких расстояниях.
  4. Различные оптроны находят применение и в радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и других. Воздействие по оптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима.
  5. Возможность изменения свойств оптического канала при различных внешних воздействиях на него позволяет создать целую серию оптронных датчиков: таковы датчики влажности и загазованности, датчика наличия в объеме той или иной жидкости, датчики чистоты обработки поверхности предмета, скорости его перемещения.

Универсальность оптронов как элементов гальванической развязки и бесконтактного управления, разнообразие и уникальность многих других функций являются причиной того, что сферами применения optocoupler стали вычислительная техника, автоматика, связная и радиотехническая аппаратура, автоматизированные системы управления, измерительная техника, системы контроля и регулирования, медицинская электроника, устройства визуального отображения информации. Подробнее о различных типах оптронов читайте в этом документе.

elwo.ru

Гальваническая развязка: принципы и схему

Гальваническая развязка – принцип электроизоляции рассматриваемой цепи тока по отношению к другим цепям, которые присутствуют в одном устройстве и улучшающий технические показатели. Гальваническая изоляция используется для решения следующих задач:

  1. Достижение независимости сигнальной цепи. Применяется во время подключения различных приборов и устройств, обеспечивает независимости электрического сигнального контура относительно токов, возникающих во время соединения разнотипных приборов. Независимая гальваническая связь решает проблемы электромагнитной совместимости, уменьшает влияние помех, улучшает показатели соотношения сигнал/шум в сигнальных цепях, повышает фактическую точность измерения протекающих процессов. Гальваническая развязка с изолированным входом и выходом способствует совместимости приборов с различными устройствами при сложных параметрах электромагнитной обстановки. Многоканальные измерительные приборы имеют групповую или канальную развязки. Развязка может быть единой для нескольких каналов измерения или поканальной для каждого канала автономно.
  2. Выполнение требований действующего ГОСТа 52319-2005 по электробезопасности. Стандарт регламентирует устойчивость изоляции в электрическом оборудовании управления и измерения. Гальваническая развязка рассматривается как один из комплекса мер по обеспечению электробезопасности, должна работать параллельно с иными методами защиты (заземление, цепи ограничения напряжения и силы тока, предохранительная арматура и т. д.).

Развязка может обеспечиваться различными методами и техническими средствами: гальванические ванны, индуктивные трансформаторы, цифровые изоляторы, электромеханические реле.

Схемы решений гальванической развязки

Во время построения сложных систем для цифровой обработки поступаемых сигналов, связанных с функционированием в промышленных условиях, гальваническая развязка должна решать следующие задачи:

  1. Защищать компьютерные цепи от воздействия критических токов и напряжений. Это важно, если условия эксплуатации предполагают воздействие на них промышленных электромагнитных волн, существуют сложности с заземлением и т. д. Такие ситуации встречаются также на транспорте, имеющем большой фактор человеческого влияния. Ошибки могут становиться причиной полного выхода из строя дорогостоящего оборудования.
  2. Предохранять пользователей от поражения электрическим током. Наиболее часто проблема актуальна для приборов медицинского назначения.
  3. Минимизации вредного влияния различных помех. Важный фактор в лабораториях, выполняющих точные измерения, при построении прецизионных систем, на метрологических станциях.

В настоящее время широкое использование имеют трансформаторная и оптоэлектронная развязки.

Принцип работы оптрона

Схема оптрона

Светоизлучающий диод смещается в прямом направлении и принимает только излучение от фототранзистора. По такому методу осуществляется гальваническая связь цепей, имеющих связь с одной стороны со светодиодом и с другой стороны с фототранзистором. К преимуществам оптоэлектронных устройств относится способность передавать связи в широком диапазоне, возможность передачи чистых сигналов на больших частотах и небольшие линейные размеры.

Размножители электрических импульсов

Обеспечивают требуемый уровень электроизоляции, состоят из передатчиков-излучателей, линий связи и приемных устройств.

Размножители импульсов

Линия связи должна обеспечивать требуемый уровень изоляции сигнала, в приемных устройствах происходит усиление импульсов до значений, необходимых для запуска в работу тиристоров.

Применение электрических трансформаторов для развязки повышает надежность установленных систем, построенных на основании последовательных мультикомплексных каналов в случае выхода из строя одного из них.

Параметры мультикомплексных каналов

Сообщения каналов состоят из информационных, командных или ответных сигналов, один из адресов свободен и используется для выполнения системных задач. Применение трансформаторов повышает надежность функционирования систем, собранных на основе последовательных мультикомплексных каналов и обеспечивает работу устройства при выходе из строя нескольких получателей. За счет применения многоступенчатого контроля передач на уровне сигналов обеспечиваются высокие показатели помехозащищенности. В общем режиме функционирования допускается отправка сообщений нескольким потребителям, что облегчает первичную инициализацию системы.

Простейшее электрическое устройство – электромагнитное реле. Но гальваническая развязка на основе этого прибора имеет высокую инертность, относительно большие размеры и может обеспечить только небольшое число потребителей при большом количестве потребляемой энергии. Такие недостатки препятствуют широкому применению реле.

Гальваническая развязка типа push-pull позволяет значительно уменьшить количество используемой электрической энергии в режиме полной нагрузки, за счет этого улучшаются экономические показатели использования устройств.

Развязка типа push-pull

За счет использования гальванических развязок удается создавать современные схемы автоматического управления, диагностики и контроля с высокой безопасностью, надежностью и устойчивостью функционирования.

plast-product.ru

Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон?

Есть в электронике такое понятие как гальваническая развязка. Её классическое определение - передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта. Если вы новичок, то эта формулировка покажется очень общей и даже загадочной. Если же вы имеете инженерный опыт или просто хорошо помните физику, то скорее всего уже подумали про трансформаторы и оптроны.

Статья под катом посвящена различным способам гальванической развязки цифровых сигналов. Расскажем зачем оно вообще нужно и как производители реализуют изоляционный барьер «внутри» современных микросхем.

Речь, как уже сказано, пойдет о изоляции цифровых сигналов. Далее по тексту под гальванической развязкой будем понимать передачу информационного сигнала между двумя независимыми электрическими цепями.

Зачем оно нужно

Существует три основные задачи, которые решаются развязкой цифрового сигнала.

Первой приходит в голову защита от высоких напряжений. Действительно, обеспечение гальванической развязки - это требование, которое предъявляет техника безопасности к большинству электроприборов. Пусть микроконтроллер, который имеет, естественно, небольшое напряжение питания, задает управляющие сигналы для силового транзистора или другого устройства высокого напряжения. Это более чем распространенная задача. Если между драйвером, который увеличивает управляющий сигнал по мощности и напряжению, и управляющим устройством не окажется изоляции, то микроконтроллер рискует попросту сгореть. К тому же, с цепями управления как правило связаны устройства ввода-вывода, а значит и человек, нажимающий кнопку «включить», легко может замкнуть цепь и получить удар в несколько сотен вольт.Итак, гальваническая развязка сигнала служит для защиты человека и техники.
Не менее популярным является использование микросхем с изоляционным барьером для сопряжения электрических цепей с разными напряжениями питания. Тут всё просто: «электрической связи» между цепями нет, поэтому сигнал логические уровни информационного сигнала на входе и выходе микросхемы будут соответствовать питанию на «входной» и «выходной» цепях соответственно.
Гальваническая развязка также используется для повышения помехоустойчивости систем. Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, часто это корпус устройства. При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает необходимый для передачи информационного сигнала общий потенциал передатчика и приемника. Поскольку обычно общий провод служит одним из полюсов питания, подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к возникновению кратковременных импульсных помех. Они исключаются при замене «электрического соединения» на соединение через изоляционный барьер.

Как оно работает

Традиционно гальваническая развязка строится на двух элементах - трансформаторах и оптронах. Если опустить детали, то первые применяются для аналоговых сигналов, а вторые - для цифровых. Мы рассматриваем только второй случай, поэтому имеет смысл напомнить читателю о том кто такой оптрон.Для передачи сигнала без электрического контакта используется пара из излучателя света (чаще всего светодиод) и фотодетектора. Электрический сигнал на входе преобразуется в «световые импульсы», проходит через светопропускающий слой, принимается фотодетектором и обратно преобразуется в электрический сигнал.

Оптронная развязка заслужила огромную популярность и несколько десятилетий являлась единственной технологией развязки цифровых сигналов. Однако, с развитием полупроводниковой промышленности, с интеграцией всего и вся, появились микросхемы, реализующие изоляционный барьер за счет других, более современных технологий. Цифровые изоляторы - это микросхемы, обеспечивающие один или несколько изолированных каналов, каждый из которых «обгоняет» оптрон по скорости и точности передачи сигнала, по уровню устойчивости к помехам и, чаще всего, по стоимости в пересчете на канал.

Изоляционный барьер цифровых изоляторов изготавливается по различным технологиям. Небезызвестная компания Analog Devices в цифровых изоляторах ADUM в качестве барьера использует импульсный трансформатор. Внутри корпуса микросхемы расположено два кристалла и, выполненный отдельно на поллимидной пленке, импульсный трансформатор. Кристалл-передатчик по фронту информационного сигнала формирует два коротких импульса, а по спаду информационного сигнала - один импульс. Импульсный трансформатор позволяет с небольшой задержкой получить на кристалле-передатчике импульсы по которым выполняется обратное преобразование.

Описанная технология успешно применяется при реализации гальванической развязки, во многом превосходит оптроны, однако имеет ряд недостатков, связанных с чувствительностью трансформатора к помехам и риску искажений при работе с короткими входными импульсами.

Гораздо более высокий уровень устойчивости к помехам обеспечивается в микросхемах, где изоляционный барьер реализуется на емкостях. Использование конденсаторов позволяет исключить связь по постоянному току между приемником и передатчиком, что в сигнальных цепях это эквивалентно гальванической развязке.

Если последнее предложение вас взбудоражило.. Если вы почувствовали жгучее желание закричать что гальванической развязки на конденсаторах быть не может, то рекомендую посетить треды вроде этого. Когда ваша ярость утихнет, обратите внимание что все эти споры датируются 2006 годом. Туда, как и в 2007, мы, как известно, не вернемся. А изоляторы с емкостным барьером давно производятся, используются и отлично работают.

Преимущества емкостной развязки заключаются в высокой энергетической эффективности, малых габаритах и устойчивости к внешним магнитным полям. Это позволяет создавать недорогие интегральные изоляторы с высокими показателями надежности. Они выпускаются двумя компаниями - Texas Instruments и Silicon Labs. Эти фирмы используют различные технологии создания канала, однако в обоих случаях в качестве диэлектрика используется диоксид кремния. Этот материал имеет высокую электрическую прочность и уже несколько десятилетий используется при производстве микросхем. Как следствие, SiO2 легко интегрируется в кристалл, причем для обеспечения напряжения изоляции величиной в несколько киловольт достаточно слоя диэлектрика толщиной в несколько микрометров.На одном (у Texas Instruments) или на обоих (у Silicon Labs) кристаллах, которые находятся в корпусе цифрового изолятора, расположены площадки-конденсаторы. Кристаллы соединяются через эти площадки, таким образом информационный сигнал проходит от приемника к передатчику через изоляционный барьер.Хотя Texas Instruments и Silicon Labs используют очень похожие технологии интеграции емкостного барьера на кристалл, они используют совершенно разные принципы передачи информационного сигнала.

Каждый изолированный канал у Texas Instruments представляет собой относительно сложную схему.

Рассмотрим её «нижнюю половину». Информационный сигнал подается на RC-цепочки, с которых снимаются короткие импульсы по фронту и спаду входного сигнала, по этим импульсам сигнал восстанавливается. Такой способ прохождения емкостного барьера не подходит для медленноменяющихся (низкочастотных) сигналов. Производитель решает эту проблему дублированием каналов - «нижняя половина» схемы является высокочастотным каналом и предназначается для сигналов от 100 Кбит/сек. Сигналы с частотой ниже 100 Кбит/сек обрабатываются на «верхней половине» схемы. Входной сигнал подвергается предварительной ШИМ-модуляции с большой тактовой частотой, модулированный сигнал подается на изоляционный барьер, по импульсам с RC-цепочек сигнал восстанавливается и в дальнейшем демодулируется. Схема принятия решения на выходе изолированного канала «решает» с какой «половины» следует подавать сигнал на выход микросхемы.

Как видно на схеме канала изолятора Texas Instruments, и в низкочастотном, и в высокочастотном каналах используется дифференциальная передача сигнала. Напомню читателю её суть.

Дифференциальная передача - это простой и действенный способ защиты от синфазных помех. Входной сигнал на стороне передатчика «разделяется» на два инверсных друг-другу сигнала V+ и V-, на которые синфазные помехи разной природы влияют одинаково. Приемник осуществляет вычитание сигналов и в результате помеха Vсп исключается.

Дифференциальная передача также используется в цифровых изоляторах от Silicon Labs. Эти микросхемы имеют более простую и надежную структуру. Для прохождения через емкостный барьер входной сигнал подвергается высокочастотной OOK (On-Off Keyring) модуляции. Другими словами, «единица» информационного сигнала кодируется наличием высокочастотного сигнала, а «ноль» - отсутствием высокочастотного сигнала. Модулированный сигнал проходит без искажений через пару емкостей и восстанавливается на стороне передатчика.

Цикл статей состоит из трёх частей:

Помехи в схемах.

В процессе нормальной работы электронного устройства могут появляться помехи в схеме.

Помехи могут не только препятствовать нормальной работе устройства, но и привести к его полному выходу из строя.


Рис. 1. Помехи в полезном сигнале.

Увидеть помехи можно на экране осциллографа, включив его в исследуемую часть схемы (Рис. 1). Длительность помех может быть как очень маленькой (единицы наносекунд, так называемые "иголки"), так и очень большой (несколько секунд). Форма и полярность помех тоже бывает разная.
Распространение (прохождение) помех происходит не только по проводным соединениям схемы, но иногда даже и между частями схемы, не соединёнными проводкниами. Кроме того помехи могут накладываясь, суммироваться друг с другом. Так, единичная слабая помеха может не вызвать сбоя в схеме устройства, но одновременное скопление нескольких слабых случайных помех приводит к неверной работе устройства. Этот факт во много раз усложняют поиск и устранение помех, так как они принимают ещё более случайный харрактер.

Источники помех можно грубо разделить:

  • Внешний источник помех. Находящийся рядом с устройством источник сильного электромагнитного или электростатического поля может привести к сбоям в электронном устройстве. Например разряд молнии, релейная коммутация больших токов или работа электросварки.
  • Внутненний источник помех. Например, при включении/выключении нагрузки с реактивным собпротивлением (электромотора или электромагнита) в устройстве, может происходить сбой в работе остальной части схемы. Неверный алгоритм программы тоже может быть источником внутренних помех.

Для защиты от внешних помех конструкцию или отдельные её части помещают в металлический или электромагнитный экран, а так же применяют схемные решения с меньшей чувствительностью к внешним помехам. От внутренних помех помогает применение фильтров, оптимизация алгоритма работы, изменение построения всей схемы и расположения её частей относительно друг друга.
Очень элегантным считается не безразборное подавление всех помех, а сознательное направление их в те места схемы, где они затухнут, не причинив вреда. В ряде случаев такой путь намного проще, компактнее и дешевле.

Оценка вероятности появления помех в схемах и пути их предотвращения - задача не простая, требующая теоретических знаний и практического опыта. Но тем не менее с твёрдостью можно сказать, что вероятность появления помехи возрастает:

  • с увеличением коммутируемого тока или напряжения в цепи,
  • с увеличением чувствительности частей схемы,
  • с увеличением быстродействия применённых деталей.

Что бы не переделывать готовую конструкцию из за частых сбоев, лучше уже на стадии проектирования схемы ознакомиться с возможными источниками и путями распространения помех. Так как около половины всех проялвений помех связаны с "плохим" питанием, то начинать проектировать устройство лучше всего с выбора способа питания его частей.

Помехи по цепям питания.

На рисунке 2 представлена типичная блок-схема некоего электронного устройства, которое состоит из источника питания, схемы управления, драйвера и исполнительного устройства.
По такой схеме построены большинство простейших роботов из серии на этом сайте.


Рис. 2. Совместное питание управляющей и силовой части.

В таких схемах можно условно выделить две части: управляющую и силовую. Управляющая часть потребляет относительно мало тока и содержит какие-либо контролирующие или вычислительные схемы. Силовая часть потребляет значительно больше тока и в неё входит улилитель и оконечная нагрузка.
Рассмотрим каждую часть схемы подробнее.


Рис. 2 a.

Источник питания (Рис. 2 a.) может представлять собой "батарейки" или сетевой трансформаторный блок питания. В источник питания так же может входить стабилизатор напряжения и небольшой фильтр.


Рис. 2 б.

Схема управления - это часть схемы (Рис. 2 б.), где просиходит обработка какой либо информации в соответствии с работой алгоритма. Сюда же могут поступать сигналы с внешних источников, например, с каких либо сенсоров. Сама схема управления может быть собрана с применением микроконтроллеров или других микросхем, или же на дисретных элементах.

Линии связи просто соединяют схему управления с драйвером исполнительным устройством, то есть это просто проводки или дорожки печатной платы.


Рис. 2 в.

Исполнительное устройство (Рис. 2 в.) часто представляет собой механизм, который преобразует электрический сигнал в механическую работу, например электромотор или электромагнит. То есть исполнительное устройство преобразовывает электрический ток в другой вид энергии и обычно потребляет относительно большой ток.


Рис. 2 г.

Так как сигнал от схемы управления очень слабый, поэтому драйвер или усилитель (Рис. 2 г.) является неотъемлемой частью многих схем. Драйвер может быть выполненн, например, на одном лишь транзисторе или специальной микросхеме, в зависимости от типа исполнительного устройства.

Как правило, основным источником сильных помех является исполнительное устройство. Появившаяся тут помеха, пройдя через драйвер, распространяется и дальше по шине питания (Помеха на Рис. 2 показана схематично оранжевой стрелкой). А так как схема управления запитана от того же источника питания, то велика вероятность воздействия этой помехи и на неё. То есть, например, помеха, появившись в моторе, пройдёт через драйвер и может привести к сбою в схеме управления.
В простых схемах бывает достаточно поставить параллельно с источником питания конденсатор большой ёмкости около 1000 мкФ и керамический 0,1 мкФ. Они будут выполнять роль простейшего фильтра. В схемах с токами потребления около 1 ампера и более для защиты от сильных помех сложной формы придётся ставить громоздкий, сложный фильтр, но и это не всегда помогает.
Во многих схемах наиболее простым способом избавиться от воздействия помех помогает применение отдельных источников питания для управляющей и силовой части схемы, то есть применение так называемого раздельного питания .
Хотя раздельное питание применяют не только для борьбы с помехами.

Раздельное питание.

На Рис. 3 приведена блок-схема некоего устройства. В этой схеме используется два источника питания. Силовая часть схемы запитана от источника питания 1 , а схема управления - от источника питания 2 . Оба источника питания соединены одним из полюсов, этот провод является общим для всей схемы и относительно него передаются сигналы по линии связи.


Рис. 3. Раздельное питание управляющей и силовой части.

На первый взгляд такая схема с двумя источниками питания выглядит громоздкой и сложной. На самом деле подобные схемы с раздельным питанием используются, например, в 95% всей бытовой аппаратуры. Раздельные источники питания там представляют собой лишь разные обмотки трансформаторов с разным напряжением и током. Это ещё одно достоинство схем с раздельным питанием: в одном устройстве можно использовать несколько блоков с различным напряжением питания . Например, для контроллера использовать 5 вольт, а для мотора - 10-15 вольт.
Если приглядеться к схеме на Рис. 3, то видно, что помеха из силовой части не имеет возможности попасть в управляющую часть по линии питания. Следовательно, полностью отпадает и необходимость её подавлять или фильтровать.


Рис. 4. Раздельное питание со стабилизатором.

В передвижных конструкциях, например, мобильных роботах, из-за габаритов не всегда удобно использовать два блока батареек. Поэтому раздельное питание можно построить с применением одного блока батареек. Схема управления при этом будет питаться от основного источника питания через стабилизатор с маломощным фильтром, Рис. 4. В этой схеме нужно учесть падение напряжения на стабилизаторе выбранного типа. Обычно применяется блок батарей с более высоким напряжением, чем необходимое для схемы управления напряжение. Работоспособность схемы в таком случае сохраняется и при частичном разряде батарей.


Рис. 5. L293 при раздельном питании.

Многие микросхемы-драйверы сразу специально расчитаны на использование в схемах с раздельным питанием. Например, широко известная микросхема драйвера L293 (Рис. 5 ) имеет вывод Vss - для питания схемы управления (Logic Supply Voltage) и вывод Vs - для питания оконечных каскадов силового драйвера (Supply Voltage или Output Supply Voltage).
Во всех конструкциях роботов с микроконтроллером или логической микросхемой из серии можно включить L293 схемой с раздельным питанием. При этом напряжение питания силовой части (напряжение для моторов) может быть в пределах от 4,5 до 36 вольт, а напряжение на Vss можно подать то же, что и для питания микроконтроллера или логической микросхемы (обычно 5 вольт).

Если питание управляющей части (микроконтроллера или логической микросхемы) происходит через стабилизатор, а питание силовой части берётся напрямую от блока батареек, то это позволяет значительно сэкономить потери энергии. Так как стабилизатор будет питать только схему управления, а не всю конструкцию. Это - ещё одно достоинство раздельного питания: экономия энергии .

Если взглянуть ещё раз на схему рисунка 3, то можно заметить, что кроме общего провода (GND) силовую часть со схемой управления соединяют ещё и линии связи. По этим проводам в некоторых случаях тоже могут проходить помехи из силовой части внутрь схемы управления. Кроме того эти линии связи часто сильно подвержены электромагнитным воздействиям ("наводкам"). Избавиться раз и на всегда от этих вредных явлений можно, применив так называемую гальваническую развязку .
Хотя гальваническую развязку применяют тоже не только для борьбы с помехами.

Гальваническая развязка.

На первый взгляд такое определение может показаться невероятным!
Как можно передать сигнал без электрического контакта?
На самом деле есть даже два способа, которые это позволяют.


Рис. 6.

Оптический способ передачи сигнала построен на явлении фоточувствительности полупроводников. Для этого применяется пара из светодиода и фоточувствительного прибора (фототранзистор, фотодиод), рис 6.


Рис. 7.

Пара светодиод-фотоприёмник изолированно рас- положены в одном корпусе напротив друг друга. Такая деталь так и называется оптопара (зарубежное название optocopler ), рис 7.
Если через светодиод оптопары пропустить ток, то сопротивление встроенного фотоприёмника будет изменяться. Так происходит безконтактная передача сигнала, так как светодиод полностью изолированн от фотоприёмника.
На каждую линию передачи сигнала требуется отдельная оптопара. Частота передаваемого оптическим способом сигнала может лежать в пределах от нуля до нескольких десятков-сотен килогерц.


Рис. 8.

Индуктивный способ передачи сигнала основывается на явлении электромагнитной индукции в трансформаторе. При изменении тока в одной из обмоток трансформатора происходит изменение тока в другой его обмотке. Таким образом сигнал передаётся из первой обмотки во вторую (рис. 8). Такую связь между обмотками ещё называют трансформатороной , а трансформатор для гальваноразвязки иногда именуют разделительный трансформатор .


Рис. 9.

Конструктивно трансформаторы обычно выполненны на кольцевом ферритовом сердечнике, а обмотки содержат несколько десятков витков провода (рис. 9). Не смотря на кажущуюся сложность такого трансформатора, его можно изготовить самостоятельно за несколько минут. Так же продаются и готовые малогабаритные трансформаторы для гальванической развязки.
На каждую линию передачи сигнала требуется отдельный такой трансформатор. Частота передаваемого сигнала может лежать в пределах от нескольких десятков герц до сотен-тысяч мегагерц.

В зависимости от типа передаваемого сигнала и требований к схеме можно выбрать либо трансформаторную, либо оптическую гальваноразвязку. В схемах с гальванической развязкой с обоих сторон для согласования (связывания, сопряжения) с остальной схемой часто ставят специальные преобразователи.

Расмотрим теперь блок-схему с использованием гальванической развязки между управляющей и силовой частью на рисунке 10.


Рис. 10. Раздельное питание и гальваническая развязка канала связи.

По этой схеме видно, что любые помехи из силовой части не имеют никакой возможности проникнуть в управляющую часть, так как электрического контакта между частями схемы не существует.
Отсутствие электрического контакта между частями схемы в случае с гальваноразвязкой позволяет безопасно управлять исполнительными механизмами с высоковольтным питанием. Например, какой нибудь пульт управления с питанием от нескольких вольт может быть гальванически разделён от фазового напряжения сети в несколько сотен вольт, что повышает безопасность для обслуживающего персонала. Это является важным достоинством схем с гальваноразвязкой.

Схемы управления с гальваноразвязкой практически всегда можно встретить в ответственных устройствах, а так же в испульсных блоках питания. Оссобенно там, где присутствует хоть малейшая вероятность появления помех. Но даже в любительских устройствах гальваническая развязка находит применение. Так как небольшое усложнение схемы гальваноразвязкой приносит полную уверенность в бесперебойной работе устройства.

В этой статье я расскажу о том, как из старого ИБП (точнее из двух) буквально на коленке сделать простую гальваническую развязку от сети 220 V.

Надеюсь, ни для кого не является секретом, для чего нужна гальваническая развязка с сетью. Многие наверняка знают один из самых простых способов взорвать полсхемы заземлённым осциллографом. Поэтому о развязке я всерьёз задумался именно после приобретения осциллографа. В самом простом случае развязка выглядит, как трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1. Поэтому изначально была идея взять какой-нибудь ТС-270 и перемотать. Но заниматься перемоткой не хотелось, да и лишнего трансформатора достаточной мощности под рукой не было. Но как-то на работе попался под руку старый ИБП. Примерно вот такой:

И тут пришла в голову идея сделать развязку на «перевёртышах», т.е. когда два идентичных трансформатора включаются зеркально:

Естественно, чем больше напряжение на выходе трансформаторов, тем меньше тока течёт и тем лучше, но выбирать не приходилось и я использовал принцип «как есть». Решено было использовать корпус ИБП и трансформатор, который там уже установлен. У китайцев был для контроля наличия напряжения на выходе:

После того, как второй трансформатор был найден и закреплён, оставалось лишь все соединить.

В итоге имеем конечную схему, по которой соединяем трансформаторы:

Исключён фрагмент. Наш журнал существует на пожертвования читателей. Полный вариант этой статьи доступен только

И получаем примерно такую картину:

Сначала я выбросил родную плату, но, как оказалось, корпус сильно теряет жёсткость и пришлось вернуть её на место, предварительно выпаяв все детали:

Потом я врезал вольтметр:

Вторичную обмотку на 18 В я использовал для питания подсветки штатного выключателя. В качестве входного предохранителя использовал штатный многоразовый предохранитель ИБП, а для защиты выхода врезал обычный держатель предохранителя.

И, вуаля! Наша развязка в работе.

Введение

Гальваническая развязка (изоляция), обычно называемая просто развязкой, является способом, в соответствии с которым отдельные части электрической системы могут обладать различными потенциалами земли. Двумя наиболее распространенными причинами создания развязки является безопасность от сбоев в продуктах промышленного класса, и там, где требуется проводная связь между устройствами, каждое из которых имеет собственный источник питания.

Методы развязки по питанию

Трансформаторы

Наиболее распространенной формой развязки является использование трансформатора. При проектировании схемы стабилизации питания, где требуется развязка, изолирующая часть конструкции связана с необходимостью повышения/понижения уровня напряжения и не рассматривается как отдельная часть системы. В случае, если необходимо изолировать всю электрическую систему (например, для многого автомобильного тестирующего оборудования требуется, чтобы источники питания были изолированы от сети переменного тока), для создания необходимой изоляции последовательно с системой может быть установлен трансформатор 1:1.

Рисунок 1 - Ассортимент SMD трансформаторов

Конденсаторы

Менее распространенным методом создания развязки является использование последовательно включенных конденсаторов. Из-за возможности протекания сигналов переменного тока через конденсаторы этот метод может быть эффективным способом изоляции частей электрической системы от сети переменного тока. Этот метод менее надежен, чем метод с трансформатором, поскольку в случае неисправности трансформатор разрывает цепь, а конденсатор закорачивает. Одна из целей создания гальванической развязки от сети переменного тока заключается в том, чтобы в случае неисправности пользователь находился в безопасности от работающего неограниченного источника тока.

Рисунок 2 - Пример использования конденсаторов для создания развязки

Методы изоляции сигналов

Оптоизоляторы

Когда требуется, чтобы между двумя частями схемы с разными потенциалами земли проходил сигнал, популярным решением является оптоизолятор (оптопара). Оптоизолятор представляет собой фототранзистор, который открывается («включается»), когда внутренний светодиод находится под напряжением. Свет, излучаемый внутренним светодиодом, является путем прохождения сигнала, и, таким образом, изоляция между потенциалами земли не нарушается.

Рисунок 3 - Схема типового оптоизолятора

Датчик Холла

Другим методом передачи информации между электрическими системами с раздельными потенциалами земли является использование датчика, основанного на эффекте Холла. Датчик Холла детектирует индукцию неинвазивно и не требует прямого контакта с исследуемым сигналом и не нарушает изолирующий барьер. Наиболее распространенное использование проходящей индукционной информации через цепи с различными потенциалами земли - это датчики тока.

Рисунок 4 - Датчик тока, используемый для измерения тока через проводник

Заключение

Гальваническая развязка (изоляция) - это разделение электрических систем/подсистем, в которых может протекать не постоянный ток, и которые могут иметь различные потенциалы земли. Развязку можно разделить на основные категории: по питанию и по сигналу. Существует несколько способов достижения развязки, и в зависимости от требований к проекту некоторые методы могут быть предпочтительнее других.

Практический пример


Рисунок 5 - Схема проекта PoE (Power over Ethernet, питание через Ethernet) на основе контроллера TPS23753PW

На схеме выше несколько трансформаторов и оптоизолятор используются для создания импульсного источника питаний, который используется в устройствах Ethernet PD (Powered Device, питаемое устройство). Разъем J2 имеет внутренние магниты, которые изолируют всю систему от источника PoE. T1 и U2 изолируют источник питания (слева от красной линии) от стабилизированного выхода 3,3 В (справа от красной линии).

Триггеры на оптронах

Общеизвестно, что триггер - один из самых распространенных узлов цифровых устройств. Широкое применение триггера связано с тем, что он имеет два состояния устойчивого равновесия и способен под действием управляющих сигналов скачком переходить из одного состояния в другое. Надо отметить, что в настоящее время на схемах практически не увидишь классический триггер, но в микросхемах памяти, микроконтроллерах их на одном кристалле может быть сформировано методами современной планарной технологии десятки тысяч и даже миллионы штук, на которых работают, в частности, радиоуправляемые машинки тачки 2 купить их можно на web-ресурсе http://kupitachki.ru/. Но иногда у радиолюбителей и специалистов может возникнуть необходимость в создании триггеров с необычными возможностями. К таким триггерам можно отнести триггеры на оптронах, о которых рассказано в этой статье.
Как известно, наиболее распространенными логическими элементами в интегральном исполнении являются элементы «И-НЕ».
Управляется триггер по входу 1 и входу 2. Эти входы называют установочными и обозначают латинскими буквами S (от англ. Set - устанавливать) и R (от англ. Reset - восстанавливать, сбрасывать). Соответственно, такой триггер называют RS-триггер. Надо отметить, что для данного триггера входными активными уровнями являются низкие уровни (лог. «0»). Поэтому над буквами R и S на схемах стоят черточки (знаки инверсии).
Для микросхем ТТЛ логики питающее напряжение равно +5 В, а для микросхем, выполненных по КМОП-технологии, максимальное напряжение питания может достигать 18 В. А как быть, если питание электронного блока составляет, допустим, 27 В? Для КМОП-логики можно установить стабилизатор напряжения на 18 В. А если к тому же необходимо произвести гальваническую развязку входных цепей? Тогда на входе необходимо установить оптроны. Получается громоздкая схема. Можно, немного поразмыслив, собрать триггер на оптронах.
Фототранзисторы оптронов DA1, DA2 (так же, как DA3, DA4) включены последовательно. Это значит, что они выполняют функцию «И-НЕ». С выхода одного такого элемента «И-НЕ» на один из входов другого элемента «И-НЕ» осуществляется обратная связь, т.е. схема охвачена перекрестными обратными связями.
Резисторы R3, R6 служат нагрузкой, a R4, R5 задают ток светоизлучающих диодов оптронов DA1, DA3. Проблемой данного схемотехнического решения являются выходные уровни триггера. Низкий уровень отличается от потенциала общей шины на напряжения насыщения выходных транзисторов оптронов. А вот высокий уровень не превышает 1,0 В, так как к выходу подключен светоизлучающий диод оптрона противоположного плеча.
Это в большинстве случаев является недопустимым. Простой метод преодоления этой проблемы - подключить к выходу оптронов DA1, DA3 транзисторные ключи VT1 и VT2 соответственно. При этом происходит дополнительно инвертирование сигнала. Чтобы логика схемы полностью соответствовала показанной на рис.1, необходимо к выходам логических элементов DD1 и DD2 подключить дополнительно инверторы. Резисторы R1, R8 служат нагрузкой ключей и задают выходной ток приблизительно 3,3 мА. Последовательно с ними или параллельно выводам К-Э транзисторов можно включить сверхъяркие светодиоды для индикации работы триггера.
Этот триггер работает следующим образом. Допустим, что на выходе оптрона DA1 присутствует низкий логический уровень, так как через светодиод DA1 протекает ток, а на выходе оптрона DA3 - высокий, и через светодиод DA2 протекает ток. При кратковременном замыкании ключа S1, шунтируется вход оптрона DA1, и он закрывается. Через обратную связь высокое напряжение подается на вход оптрона DA4, и он открывается, также открыт оптрон DA3, так как через входной светодиод протекает ток от источника питания через R5. Следовательно, на выходе оптрона DA3 устанавливается низкий логический уровень. Ключи на транзисторах VT1, VT2 инвертируют выходные сигналы, приводя выходной уровень к потенциалу общей шины и потенциалу источника питания соответственно. Далее, сколько бы раз не замыкали ключ S1, состояние триггера не изменится. Чтобы вернуть триггер в исходное состояние, необходимо кратковременно замкнуть ключ S2. Процессы происходят аналогично описанному выше, только закрывается оптрон DA3, и открывается DA1. На коллекторах VT1, VT2 устанавливаются низкий и высокий логический уровень соответственно. Необходимо отметить, что вытекающий выходной ток триггера составляет приблизительно 3,3 мА, а втекающий выходной ток должен быть ограничен внешней схемой и не должен превышать максимальный ток коллектора примененного типа транзистора.
Для макетирования схемы использовался односторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 1,5 мм и размерами 60x40 мм.
Еще один вариант триггера - оптроны попарно включены по схеме «ИЛИ». Оптроны DA1, DA2 составляют одно плечо триггера, a DA3, DA4 - второе плечо. В этом триггере на выходе оптронов максимальное напряжение также не превышает 1,0 В. Поэтому к выходам оптронов подключены ключи на биполярных транзисторах VT1, VT2, обеспечивающих выходные уровни, близкие к потенциалу общей шины (лог. «0») и к напряжению питания (лог. «1»).
Описываемый триггер работает следующим образом. Допустим, на выходе оптрона DA1 присутствует высокий логический уровень, а на выходе оптрона DA4 - низкий логический уровень. При кратковременном размыкании ключа S1, через вход оптопары DA1 начинает протекать ток. На выходе оптрона устанавливается низкий логический уровень. При этом оптрон DA3 закрывается, и на выходе устанавливается высокий логический уровень. Ключ на транзисторе VT2 инвертирует напряжение, устанавливая на коллекторе напряжение, близкое к потенциалу «земли». В то же время на коллекторе VT1 устанавливается напряжение источника питания. В дальнейшем, сколько ни размыкай ключ S1, триггер не переключится. Чтобы произвести восстановление исходного состояния триггера, необходимо кратковременно разомкнуть ключ S2. Выходной ток триггера также выбран 3,3 мА.
Важной характеристикой транзисторного оптрона является параметр carrent transfer ratio (коэффициент передачи по току). У примененных оптронов он по справочным данным составляет от 200 до 400%. При замене другим типом необходимо в соответствии с этим параметром пересчитать номиналы резисторов. Кроме одиночных оптронов выпускаются и счетверенные оптроны в одном корпусе, например, РС847С. В этом случае плата становится компактнее и проще.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

23 Аналоговые ключи - СтудИзба

4.8 Аналоговые ключи

Аналоговые ключи предназначены для передачи сигналов с минимальными искажениями в открытом состоянии и отключают цепи источников сигнала от цепей потребления в закрытом состоянии. Аналоговые ключи могут коммутировать ток или напряжение. Для коммутации напряжения можно использовать либо однополюсный последовательный ключ (прерыватель), либо переключатель на два положения (нагрузка подключается к источнику напряжения или к общей точке схемы). При коммутации же тока необходим переключатель на два положения (ток источника никогда не должен прерываться, а лишь переключаться в различные ветви цепи).

Требования к характеру нагрузки должны быть различными для ключей тока и напряжения. В цепи для коммутации напряжения нагрузка должна иметь достаточно высокое сопротивление по сравнению с выходным сопротивлением источника сигнала, а для коммутации тока - наоборот. Реальные аналоговые ключи вносят погрешность при передаче сигнала (тока, напряжения) от источника в нагрузку. Основными параметрами ключа, определяющими значение погрешности, являются остаточное напряжение на замкнутом ключе UОСТ, сопротивление открытого ключа RПР.

Кроме основных параметров, аналоговые ключи характеризуются рядом дополнительных, которые позволяют определить основные режимы работы ключа и его влияние на передаваемый сигнал и сопряженную с ним схему. К таким параметрам относятся:

Ток утечки из цепи управления в сигнальную цепь в замкнутом состоянии ключа, равный разности токов через входной и выходной выводы ключа. Особое значение этот параметр имеет для ключей тока. Для ключей напряжения при значительном токе утечки важно, куда он течет: в источник сигнала или в нагрузку;

Диапазон входных сигналов - диапазон напряжений или токов, который способен переключать данный ключ. Он ограничивается схемой управления, пробивными напряжениями ключа и допустимой погрешностью передачи входных сигналов.

К параметрам разомкнутого ключа относятся токи утечки по входу и выходу разомкнутого ключа и обратные сопротивления. В паспортных данных обычно указывают максимальные значения токов утечки на входе и выходе разомкнутого ключа при нормальной и максимальной температурах.

Времена включения и выключения, которые определяют при заданном полном сопротивлении нагрузки (обычно 10 кОм с параллельно включенной емкостью 15 ... 20 пФ) как задержку между моментом приложения управляющего импульса и концом фронта переключения напряжения (или тока) на нагрузке (по уровню 0,9 или 0,1).

Рекомендуемые файлы

Время установления выходного сигнала - время, за которое выходной сигнал при переключении достигает установившегося значения с допустимой погрешностью (на заданной нагрузке).

Паразитные емкости ключа, которые определяют паразитные выбросы управляющего сигнала при переключениях ключа, а также сквозное прохождение аналогового сигнала при разомкнутом ключе. Важное значение имеет также развязка (изоляция) на высокой частоте, численно равная отношению входного сигнала к выходному при разомкнутом ключе и при определенной частоте и нагрузке.

Выходные логические уровни, которые характеризуют цепи управления ключа и их совместимость с цифровыми ИС.

Кроме того, аналоговые ключи характеризуются такими параметрами, как предельно допустимые режимы, напряжения питания, потребляемая мощность, диапазон рабочих температур, размеры, тип корпуса и т. д.

Часто большое значение имеют следующие дополнительные параметры: собственный шум, ограничивающий снизу уровни переключаемых сигналов; перекрестные связи между ключами; коэффициент передачи замкнутого ключа в зависимости от частоты входного сигнала (амплитудно-частотная характеристика). Обычно указывают коэффициент передачи на низкой частоте или постоянном напряжении.

С точки зрения схемного построения аналоговые ключи различают по используемым в них полупроводниковым элементам и способам управления ими. В настоящее время наиболее распространены ключи на диодах, биполярных и полевых транзисторах, оптронах. В ряде случаев аналоговые и цифровые ключи имеют внешне схожие принципиальные схемы, однако различные их предназначения определяют различные режимы и порядок поступления входных сигналов.

Рассмотрим основные схемы аналоговых ключей, выполненных на различных элементах.

Диодные ключи. Применяются для точного переключения токов и быстрого переключения напряжений. Первое применение объясняется высокой точностью диодных токовых ключей и легкостью управления ими. Второе связано с появлением диодов с тонкой базой и диодов Шоттки, в которых слабо выражены эффекты накопления носителей и инерционность в основном определяется процессом перезаряда барьерных емкостей.

Базовые схемы аналоговых диодных ключей для переключения тока и напряжения показаны на рис. 4.8.1.


 Как видно, по конфигурации они сходны с цифровыми диодными ключами, рассмотренными в п. 5.2.

Диодный ключ тока (рис. 4.8.1-а) широко применяется в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП), например, микросхемы 2ПД651 и 2ПД652 содержат по 6 диодных ключей с весовыми резисторами R. При высоком уровне управляющего напряжения диод D1 закрыт и ток I=E/R от источника (Е, R) течет через открытый диод D2 в нагрузку RН. При низком уровне управляющего напряжения открыт диод D1, а диод D2 закрыт. Схема замещения такого ключа показана на рис. 4.8.1. -б. В качестве низкого уровня сигнала управления используется, как правило, источник отрицательного напряжения (рис. 4.8.1.- в). Задавая при постоянном стабилизированном напряжении Е путем подборки величины сопротивления резистора R требуемый ток, можно подключать его на выход или отключать с помощью управляющего напряжения UУПР.

Статическая погрешность токовых ключей может быть очень малой, поскольку она определяется малыми токами утечки диодов (порядка 1 нА) и выходным сопротивлением источника тока R, которое можно сделать очень большим (R >>RН). Тогда колебания сопротивления резистора RН практически не скажутся на величине выходного напряжения U ВЫХ.

Основным фактором, определяющим нестабильность тока в нагрузке RН при этом, является зависимость прямого напряжения на диоде D2 и обратных токов диода от изменения температуры окружающей среды. Прямое напряжение на диоде имеет отрицательный температурный коэффициент (2 ... 4 мВ°С). Обратный ток диодов с увеличением температуры изменяется по экспоненциальному закону, возрастая приблизительно в два раза на каждые 10°С.

Рассмотренный диодный ключ может работать и как ключ напряжения (рис. 4.8.1. -г). В этом случае управляющее напряжение UУПР подается через резистор R, а входной сигнал UВХ поступает на катод диода D1.При низком уровне управляющего напряжения диоды D1 к D2 закрыты и на выходе ключа - потенциал земли. При высоком уровне UУПР диоды D1 и D2 открываются и UВХUВЫХ .Использование согласованных диодных пар в качестве диодов D1 и D2 позволяет уменьшить ошибку от неидеальности диодов до нескольких милливольт.


Наиболее распространенными диодными ключами напряжения являются мостовые ключи, обладающие, как правило, достаточно хорошей развязкой в разомкнутом состоянии и способные пропускать без существенных искажений широкополосные биполярные сигналы с динамическим диапазоном 40 дБ и выше. Скорость их переключения зависит от быстродействия как управляющих транзисторных каскадов, так и используемых диодов. Пример такой схемы приведен на рис. 4.8.2- а.

Входное напряжение Uвх подается в точку А соединения диодов VD1 и VD2, а выходное напряжение снимается с сопротивления нагрузки RH. Управляющее ключом биполярное напряжение (рис. 4.8.1-в) подается на другую диагональ моста (точки В и Г). Если «ynpi > >'0 и «упр2 > 0, то диоды VD5 и VD6 обратно смещены, а диоды мостовой схемы VD1-VD4 оказываются проводящими. Если при этом схема полностью симметрична, то точки А и Б имеют один и тот же потенциал, т. е входное напряжение подается на выход. При изменении полярности управляющего напряжения на противоположную диоды VD5 и VD6 открываются, а диоды VD1-VD4 закрываются и ключ размыкается.

Коэффициент передачи ключа равен RJ(RB+ Rn + Rup). Для управления ключом необходимо выполнять соотношение | Е > > f/вхтах + ипр, где Unp - падение напряжения на открытом диоде. Ошибка в передаче напряжения существенно зависит от идентичности диодов мостовой схемы, постоянства Есми Rltдиапазона изменения тока нагрузки и температуры. Для уменьшения разброса характеристик диодов их выполняют в виде интегральной схемы. На рис. 4.8.2-б приведены упрощенная схема диодного мостового ключа, выполненного в виде ИС 265КН1. Транзисторная схема управления ключом позволяет осуществлять непосредственное соединение микросхем с ТТЛ-схемами. Отношение выходного напряжения замкнутого и разомкнутого ключей при частоте входного сигнала 15 МГц и сопротивлении нагрузки 300 Ом равно 100, что соответствует развязке между входом и выходом ключа 40 дБ. Коэффициент передачи замкнутого ключа составляет 0,8. Верхний уровень управляющего напряжения 2,5 В, нижний - 0,5 В.


Ключи на биполярных транзисторах. Применяются для переключения как напряжений, так и токов. В ключах напряжения, как правило, используется режим насыщения в инверсном включении транзистора. При этом используются как отдельные транзисторы (последовательные и параллельные), так и согласованные пары встречно включенных двухэмиттерных транзисторов, получивших название интегральных прерывателей. Ключи тока чаще всего строят на согласованных транзисторах. Ключи с одиночными транзисторами обычно имеют управление по постоянному току (рис. 4.8.3- а).

 Транзистор VT1 в этой схеме работает в инверсном режиме, а транзистор VT2 - в нормальном, причем VT1 представляет собой собственно аналоговый ключ, a VT2 - его схему управления. При мупр = ц£р транзистор VT2 открыт, напряжение на его коллекторе, а значит, и базе VT2близко нулю. Эмиттерный переход инверсно включенного транзистора VT2 обратно смещен вх>> /7ОСТ) и VT1 заперт. При мупр = = упр VT2 закрывается, a VT1 открывается током базы /б. Выходное напряжение принимает значение ивых » мвх.

Остаточное напряжение открытого транзистора в инверсном режиме составляет 1 ... 5 мВ, а сопротивление - 10,0 ... 20,0 Ом. Отсюда следует, что такие аналоговые ключи можно применять для коммутации достаточно больших токов и напряжений.

Для уменьшения остаточного напряжения на замкнутом ключе применяют встречное включение двух транзисторов (рис. 4.8.3-б). При таком включении транзисторов остаточное напряжение ключа является разностью остаточных напряжений отдельных транзисторов (£/ОСт = £/ОСт1 - f/ocra) и может быть получено очень малым. Основная сложность применения таких ключевых элементов состоит в усложнении схемы цепи управления, которая должна быть изолирована от источника сигнала и нагрузки. Так, у интегрального прерывателя Ю1К.Т1 (рис. 4.8.3-б) Uост: 50 мкВ. Одновременно растет прямое сопротивление ключа, достигая у прерывателя 101К.Т1 величины 100 Ом, и время переключения (0,5 мкс против 0,1 мкс у одиночных транзисторов).

Эффективная компенсация остаточного напряжения в интегральном прерывателе достигается только тогда, когда через каждый транзистор протекают приблизительно одинаковые токи. Пример схемы, обеспечивающей это условие, приведен на рис. 4.8.3-в [17]. В ней при запирании диодов VD1 и VD2, чему соответствует полярность иуар (относительно общей шины) без скобок, переключатель на транзисторах VT1, VT2, работающих в инверсном режиме, вводится в насыщение током генераторов G1 и G2, как показано на схеме. Очевидно, что остаточные напряжения на VT1 и VT2 будут противоположных знаков и скомпенсируют друг друга.

При изменении полярности управляющих напряжений диоды VD1 и VD2 открываются, токи генераторов G1 и G2 замыкаются через диоды и источник £/Упр на общую шину (показано штрихами). Так как аупр больше падения напряжения на диодах и входного сигнала, то базы VT1, VT2 будут иметь отрицательный потенциал, а инверсные эмиттеры - положительный (относительно общей шины) и, следовательно, VT1, VT2 будут закрыты. Заметим, что обратные токи закрытых переходов /ко будут протекать через нагрузку и источник сигнала в противоположные стороны, компенсируя друг друга.

Для симметрирования режимов работы транзисторных прерывателей используют также трансформаторные схемы управления, однако в интегральных прерывателях их применение ограничено из-за трудностей микроминиатюризации.

Аналоговые ключи на биполярных транзисторах используются в микросхемах серий 273 и 240.

Ключи тока на биполярных транзисторах в отличие от ключей напряжения работают в ненасыщенном режиме, поэтому их быстродействие (как и быстродействие аналогичных им переключателей тока, используемых для построения логических элементов ТЛЭС) очень велико. Время переключения составляет несколько наносекунд. Однако их применение ограничено из-за того, что ток базы (ток управления) течет в сигнальную цепь. Поэтому входной ток отличается от выходного на значение тока базы.

Ключи на полевых транзисторах. Эти ключи получили преимущественное распространение из-за отсутствия остаточного напряжения на открытом транзисторе, малых токов утечки и управления, хорошей совместимости с интегральной технологией.

Для аналоговых ключей используют полевые транзисторы с управляющим р-п переходами и МОП -транзисторы, причем более предпочтительны транзисторы с n-каналом, поскольку подвижность электронов больше подвижности дырок, что обеспечивает у них меньшие значения прямого сопротивления Пр. Значение Rnpдля полевых транзисторов лежит в пределах 5 ... 200 Ом, а температурный коэффициент изменения пр составляет 0,6 % на 1 °С.

Допустимая статическая погрешность аналоговых ключей на полевых транзисторах в большой степени влияет на их быстродействие. Это объясняется тем, что, несмотря на очень высокое входное сопротивление полевых транзисторов, часть входного сигнала через межэлектродные емкости проходит на выход. Причем с увеличением частоты его составляющая в выходном сигнале растет. Реальная длительность переходных процессов в аналоговых ключах на полевых транзисторах колеблется, как и в импульсных ключах такого же типа, от микросекунды до десятков наносекунд.


Для борьбы с выбросами емкостных токов и предотвращения прохождения входного сигнала на выход можно уменьшать крутизну фронтов управляющих импульсов. Однако это неизбежно приводит к уменьшению быстродействия. Более эффективными являются способы компенсации указанных прохождений, что достигается в параллельно-последовательных ключах, в которых один ключ всегда работает на запирание, а другой - на отпирание, и ключах на комплементарной (дополняющей) паре полевых транзисторов, один из которых имеет канал n-типа, а другой - p-типа. Поскольку прохождение управляющих сигналов на выход ключа зависит от значения этих сигналов, то ключи тока на полевых транзисторах имеют определенные преимущества перед ключами напряжения. В частности, если напряжение отсечки полевого транзистора меньше 3 В, то такими ключами можно непосредственно управлять от ТТЛ - схем. Пример последовательного ключа на полевом транзисторе с управляющим р-п переходом приведен на рис. 4.8.4-а. Этот ключ пропускает входные сигналы любой полярности. Для управления полевым транзистором VT1 используется биполярный транзистор VT2. Диод VD необходим для того, чтобы напряжение затвор-исток открытого транзистора VT1 оставалось равным нулю при любых входных сигналах. Это устраняет модуляцию пр входным сигналом. Резистор R подключается для ускорения перезарядки паразитных емкостей при запертом диоде VD. Для этого величина сопротивления R выбирается меньше обратного сопротивления закрытого диода.

Схема управления полевым транзистором с р-п переходом, использующая КМОП-транзисторы, приведена на рис. 4.8.4-б, Положительный управляющий сигнал £/+упр открывает /г-канальный транзистор VT1 и закрывает р-канальный транзистор VT2. Отрицательное напряжение -Е через небольшое сопротивление открытого транзистора VT1 поступает на затвор ключевого транзистора VT2 и закрывает его. При отрицательном управляющем напряжении Vp Транзистор VT1 закрыт, a VT2 открыт. При этом затвор и исток кистевого транзистора VT3 закорачиваются через малое сопротивление прс -'С 1лтпего канала транзистора VT2, что обеспечивает ротаое отпирание транзистора VT3 и исключает модуляцию сопротивления какала напряжением затвор-исток.

Последовательно-параллельный ключ на дополняющих транзисторах представлен на рис. 4.8.4- в. В этой схеме при срабатывании ключа сопротивление нагрузки будет либо подключено к источнику сигнала через VT1 (когда VT2 закрыт), либо зашунтировано малым сопротивлением открытого VT2 (когда VT1 закрыт). Таким образом, токи перезаряда паразитных емкостей транзисторов и всей схемы, как и в КМОП логике, будут замыкаться через малые сопротивления источника сигнала и транзисторов, что приведет к быстрому затуханию этих токов и не создаст заметных выбросов напряжения на нагрузке.

Особенностью аналоговых ключей на МОП-транзисторах является сильная зависимость прямого сопротивления пр от входного аналогового сигнала, что приводит к модуляции проводимости канала входным сигналом и возникновению дополнительных нелинейных искажений (для изменяющихся во времени аналоговых сигналов).

Эффект изменения /?Пр в зависимости от входного сигнала аналогичен такому же эффекту для полевых транзисторов, однако там с ним было сравнительно легко бороться, так как в открытом состоянии напряжение затвор-исток £/зи полевого транзистора должно быть равно нулю, для обеспечения чего достаточно соединить затвор с источником сигнала (см. рис. 4.8.4-а). Для поддержания в открытом состоянии МОП-транзистора с обогащением (р-канал) необходимо подавать разность потенциалов, большую его порогового напряжения ё/поп- что существенно затрудняет борьбу с указанным эффектом. Уменьшить влияние модуляции проводимости канала можно, например, используя относительно большое сопротивление нагрузки ключа.

Примеры последовательных ключей на p-канальных МОП-транзисторах приведены на рис. 4.8.5. В этих схемах в качестве управляющего элемента используется биполярный транзистор. В схеме рис. рис. 4.8.5-а при отключении питающего напряжения положительное входное напряжение замыкается на землю через открывающиеся переходы сток (исток)-подложка и внутреннее сопротивление источника Е. Схема рис. 4.8.5-б свободна от этого недостатка. В ней диод VD обеспечивает полную изоляцию входа ключа и при отключенном питании ключ полностью размыкается, препятствуя протеканию тока через внутреннее сопротивление источника Е.


Для уменьшения зависимости сопротивления открытого ключа от коммутируемого напряжения и прохождения управляющих сигналов на выход применяют ключи на комплементарных (дополняющих) КМОП-транзисторах, состоящих из параллельно включенных р- и n-канального МOП-транзисторов. На рис. 4.8.5-в показана схема, позволяющая существенно уменьшить влияние изменения входного аналогового напряжения на значение прямого сопротивления замкнутого ключа. Непосредственно ключ содержит два параллельно включенных транзистора VT1 и VT2 с индуцированными каналами различных типов проводимости (один с р-, а другой с n-каналом). Управление ключом осуществляется с помощью инвертора, выполненного на КМОП-транзисторах VT3 и VT4. При управляющем напряжении £/уПр = -Е транзистор VT4 закрыт, a VT3 открыт и аналоговый ключ разомкнут (VT1 и VT2 закрыты). Ключ замыкается при одновременной подаче отрицательного напряжения на затвор p-канального МOП-транзистора VT1 и положительного напряжения на затвор n-канального МOП-транзистора VT2. Такое состояние ключа будет при подаче управляющего напряжения иупр =. Диапазон изменения входного напряжения для такого ключа авх = ± Е. При Ubx = 0 напряжение затвор-исток VT1 ushi = - Е, а напряжение затвор-исток VT2 t/зш = + Е. Транзисторы VT1 и VT2 открыты, а прямое сопротивление замкнутого ключа равно параллельному соединению сопротивлений открытых транзисторов. Когда мвх = + Е, транзистор VT2 закрыт, так как напряжение £/3и2 = 0, а транзистор VT1 открыт под действием напряжения £/зш = - 2£. Прямое сопротивление ключа пр определяется сопротивлением полностью открытого транзистора VT2 и примерно равно сопротивлению ключа при Uвх = 0. Аналогично, при Uвх = -Е транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт под действием напряжения £/зи2 = + 2£ и прямое сопротивление остается примерно прежним.

Таким образом, изменение входного напряжения мвх влияет на сопротивление каналов транзисторов VT1 и VT2 противоположным образом, и в результате прямое сопротивление ключа 7?пр меняется в небольших пределах (рис. 4.8.5-г). Рассматриваемая схема позволяет также уменьшить ошибки, связанные с прохождением перепадов управляющих напряжений через паразитные емкости на выход. Действительно, управляющее напряжение на затворах обоих ключевых транзисторов имеет противоположные знаки и прохождение фронтов его в нагрузку в значительной степени компенсируется.

Ключи на МДП-транзисгорах выпускаются в виде интегральных микросхем, например, пятиканальный переключатель 190КЛ1 или сдвоенный двухканальный переключатель типа 190КТ2. Эти ключи могут коммутировать напряжение до 25 В и имеют прямое сопротивление 300 Ом при £/зи = - 20 В (для ИС 190КТ1) и 50 Ом (для ИС 190КТ2). Ток утечки закрытого канала не превышает 50 нА. Эти ключи не имеют схем управления и поэтому их затруднительно применять в устройствах, где совместно используются низкоуровневые логические схемы (например, ТТЛ). Этот недостаток устранен в двухканальном переключателе напряжения 143КТ1, который содержит ключ на МOП-транзисгоре n-типа и схему управления, которая выполняет функции согласования уровней выходных напряжений ТТЛ-схем и входных МОП-транзисторов.

Ключи на КМОП-транзистор ах также выполняются в виде интегральных микросхем, примерами которых могут служить ИС 176KTI, 564КТЗ. Эти ИС представляют собой четырехканальные ключи, каждый из которых выполнен в виде параллельного соединения МOП-транзисторов различной проводимости, как показано на рис. 4.8.5-в.

Аналоговые ключи на оптронах. В последние годы получают все большее распространение благодаря полной электрической развязке управляющих н информационных цепей и простоте задания одинаковых режимов для обоих транзисторов, включенных в нормальном и инверсном режимах для компенсации остаточного напряжения. В этих схемах оптроны успешно заменят трансформаторные управляющие цепи.

Схема рис. 4.8.6-а содержит однотипные транзисторные оптроны, включенные по компенсационному принципу. Фототранзисторы включены встречно, поэтому остаточный потенциал равен разности потенциалов на освещенных фототранзисторах.

В другом варианте (рис. 4.8.6-б) используется встречно параллельное включение фототранзисторов, которые играют роль ключа, последовательно соединенного с нагрузкой.

Контрольные вопорсы

1. Какой элемент автоматики имеет статическую характеристику, близкую к идеальной?

2. К каким последствиям приводит отличие реальной статической характеристики от идеальной?

3. Приведите классификацию электронных ключей.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 16 Возрождение волновой теории света.

4. Перечислите основные требования к ЭК.

5. Какими параметрами характеризуются электронные ключи?

6. Какие параметры диода влияютна динамические свойства диодного ключа?

7. В каких устройствах применяют диодные ключи?

8. Какие логические функции реализуют на диодных ключах?

Управляемый электронный ключ с гальванической развязкой. | Вячеслав Калашник

Силовой электронный ключ на мощных полевых транзисторах предназначен для коммутации мощных нагрузок с гальванической развязкой силовой цепи от цепи управления. Коммутируемый ток, напряжение и сопротивление ключа в открытом состоянии определяются типом примененного полевого транзистора и могут изменятся в пределах от единиц до тысячи ампер, от десятков до сотен вольт и от тысячных долей до единиц Ом. Напряжение гальванической развязки определяется типом применённого оптрона и может составлять единицы киловольт. Данный ключ является аналогом электромагнитного реле с одним ключом, но превосходящий аналог по числу коммутаций, быстродействию, надежности и, кроме того, совместим по управлению с логическими микросхемами. На микросхеме DA1 выполнен автогенератор

(это драйвер полумоста для управления мощными полевыми транзисторами). В данном случае этот драйвер включен в качестве мостового инвертора. Напряжение питания этой микросхемы 10-15В, поскольку в ней между выв.1 и выв.4 включен стабилитрон на 15,6В, то напряжение превышающее эту величину должно быть подано на вывод питания через токоограничивающий резистор. Если напряжение питания будет ниже 10В, то микросхема выключается. Автогенератор выполнен по схеме таймера 555. Нагрузочная способность микросхемы DA1 составляет 250мА. Управление работой автогенератора можно осуществить по выв.3. Подавая низкий уровень напряжения (логический 0), работа автогенератора останавливается. Выходной сигнал представляет собой меандр (скважность 2). Для предотвращения сквозного тока имеется защитная пауза 1,2мкс. При подаче переменного напряжения на трансформатор TV1 на его вторичной обмотке наводится напряжение, которое после выпрямления мостом VD1и сглаживания конденсатором С2 питает инвертирующий триггер DA2. Потребляемый ток генератора составляет 12мА. Использование интегрального таймера DA2 в качестве инвертирующего триггера Шмидта позволяет также улучшить работу схемы. Как видно из схемы - затворы подключены к выводу 7 DA2. В результате шунтируются затворы - напрямую к общему проводу при низком выходе (уровень 0), т.е. быстро разряжать входную емкость транзисторов VT1,VT2, что улучшает помехоустойчивость. Да и сам триггер DA2 имеет гистерезис входных напряжений в 1/3Vсс и 2/3Vcc напряжения питания. Управление инвертирующим триггером осуществляется по выводу 4 микросхемы DA2. Пороговое напряжение на этом выводе равно 0,45В (напряжение открытия перехода база – эмиттер). Превышение входным напряжением порогового напряжения, включает инвертирующий триггер, а снижение входного напряжения ниже порогового – отключает триггер. Если триггер DA2 получает питание и транзистор оптрона U1 закрыт, то на выв.4 высокий уровень напряжения (Еп) и вследствии того, что на выводах 2,6 инвертирующего триггера DA2 низкий уровень напряжения, а выходе 3 будет высокий уровень напряжения, который открывает полевые транзисторы VT1,VT2 и нагрузка получает питание. При открытом транзисторе оптрона U1 на выв.4 триггера DA2 будет низкий уровень напряжения (<0,45В) который закрывает выход триггера и на его выходе нет управляющего напряжения для полевых транзисторов VT1,VT2 и они закрыты (нагрузка не получает питания). Таким образом, получаются крутые фронт и спад управляющего сигнала для полевых транзисторов. Светодиод VD2 отображает работу электронного ключа. Если он светится, то ключ включен и нагрузка под напряжением. В противном случае ключ выключен. Желательно поставить яркий светодиод. Ток нагрузки проходит через открытый канал транзистора VT1, открытый канал транзистора VT2 и его защитный диод (для случая - на фазе А положительная полуволна сетевого напряжения). При отрицательной полуволне на фазе А ток нагрузки проходит через открытый канал транзистора VT1 и его защитный диод, открытый канал транзистора VT2 (защитный диод закрыт). При использовании устройства совместно с индуктивной нагрузкой, между стоками транзисторов VT1-VT2 необходимо установить диод 1,5КЕ440СА, защищающий их от всплесков напряжения, возникающих на индуктивной нагрузке при её коммутации. Данный электронный ключ способен коммутировать как постоянный, так и переменный ток. Качество гальванической развязки между цепями управления и силовой зависит от импульсного трансформатора TV1. Хорошие результаты показывают трансформаторы серии МИТ. В устройстве использован трансформатор МИТ – 4ВМ, который имеет три одинаковые по числу витков обмотки. Печатная плата имеет размеры 52*50мм. Трансформатор TV1 можно намотать на ферритовом кольце К16*8*6мм. Первичная обмотка имеет 35витков, а вторичная 50 витков провода МГТФ – 0,07. Если ключ должен коммутировать линейное 3х-фазное напряжение в 380В, то транзисторы должны выдерживать 600В амплитудного напряжения (КП707В1).

Оптоэлектронный ключ - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Оптоэлектронный ключ

Cтраница 1

Оптоэлектронные ключи, состоящие из излучающего диода на основе соединения арсенид-галлий-алюминий и кремниевого фото-транзистора. Предназначены для гальванической развязки узлов аппаратуры, между которыми передаются сигналы.  [1]

Оптоэлектронные ключи, состоящие из излучающего диода на основе арсенид-галлий-алюминия и кремниевого фототранзистора. Предназначены для гальванической развязки узлов, между которыми передаются сигналы управления.  [2]

Оптоэлектронные ключи, состоящие из излучающего диода на основе соединения арсенид-галлий-алюминий и кремниевого фототранзистора. Предназначены для гальванической развязки узлов аппаратуры, между которыми передаются сигналы.  [3]

Оптоэлектронный ключ предназначен для коммутации высоковольтных цепей переменного и постоянного токов. Он имеет четыре независимых канала, каждый из которых содержит две оптоэлектронные пары, состоящие из светодиода и высоковольтного р-г-п-фотодиода.  [5]

Оптоэлектронный ключ предназначен для коммутации высоковольтных цепей переменного и постоянного токов.  [7]

Оптоэлектронные ключи, состоящие из излучающего диода на основе арсенид-галлий-алюминия и кремниевого фототранзистора. Предназначены для гальванической развязки узлов, между которыми передаются сигналы управления.  [8]

Оптоэлектронные ключи типа ОЭК-1 предназначены для коммутации порошковых ЭЛИ, а ключи типа ОЭК-2 - для пленочных ЭЛИ.  [10]

Каждый оптоэлектронный ключ состоит из светодиода и фотодиода или фототранзистора ( рис. 3.11), связанных между собой оптически прозрачной средой.  [11]

Управляемый лазером оптоэлектронный ключ.  [12]

Микросхемы представляют собой диодный оптоэлектронный ключ с двухкаскадным транзисторным усилителем.  [13]

Здесь схема оптоэлектронного ключа также построена по компенсационному принципу.  [14]

Страницы:      1    2

Оптопары

- обзор | Темы ScienceDirect

ADuM130x / ADuM140x: Многоканальные продукты

Помимо множества улучшений производительности, описанных ранее, технология i Coupler ® также предлагает огромные преимущества с точки зрения интеграции. Оптические помехи очень затрудняют реализацию многоканальных оптопар.

Трансформаторы на основе технологии i Coupler ® могут быть легко интегрированы в один кристалл.Кроме того, один канал данных может передавать сигналы в одном направлении, скажем, от верхней катушки к нижней катушке, в то время как соседний канал может передавать сигнал в другом направлении, от нижней катушки к верхней катушке. Это возможно благодаря двунаправленной природе индуктивной связи.

Дополнительные продукты состоят из пяти трех- и четырехканальных продуктов, охватывающих все возможные конфигурации направленности каналов. Помимо обеспечения гибких конфигураций каналов, они поддерживают операции 3 В и 5 В по обе стороны от изолирующего барьера и поддерживают использование этих изоляторов в качестве преобразователей уровня.Например, на одной стороне может быть 2,7 В, а на другой - 5,5 В. Симметрия края в 2 нс сохраняется во всех возможных конфигурациях питания при всех температурах от -40 ° C до 100 ° C. Возможность смешивать двунаправленные каналы изоляции в одном пакете позволяет пользователям уменьшить размер и стоимость своих систем.

Для ADuM1100 используются два трансформатора для передачи одного канала данных. Один предназначен для передачи импульсов, представляющих передний фронт сигнала или обновления входного высокого уровня, а другой предназначен для передачи импульсов, представляющих задний фронт сигнала или обновления входного низкого уровня.В семействе продуктов ADuM130x / ADuM140x для каждого канала данных используется один трансформатор. ADuM140x, показанный на рис. 2-38, имеет всего четыре трансформатора. Передний и задний фронт кодируются по-разному, и закодированные импульсы объединяются в одном трансформаторе; в результате приемник несет ответственность за декодирование импульсов, чтобы определить, относятся ли они к переднему или заднему фронту. Выходной сигнал затем реконструируется соответствующим образом (рисунок 2-39).

Рисунок 2-38 :.Фотография кристалла ADuM140X

Рисунок 2-39 :. Блок-схемы для ADuM1400 (A), ADuM1401 (B) и ADuM1402 (C)

Разумеется, использование одного трансформатора на канал данных влечет за собой убытки, а не использование двух трансформаторов на канал данных. Задержка распространения больше для архитектуры с одним трансформатором из-за дополнительного времени, необходимого для кодирования и декодирования. Штраф за пропускную способность вряд ли имеет значение, даже при входной скорости 100 Мбит / с.

В отличие от ADuM1100, ADuM130x / ADuM140x использует специальный трансформаторный чип, отдельный от интегральной схемы приемника.Такое разделение демонстрирует простоту интеграции технологии сопряжения i . Помимо автономных многоканальных изоляторов, технология сопряжения i может быть встроена в другие ИС сбора данных и управления, чтобы сделать использование изоляции еще более прозрачным. Следовательно, в будущем разработчики систем смогут посвящать свое время улучшению функциональности системы, а не беспокоиться об изоляции.

Зачем использовать оптопары в электронике?

Оптопары не только защищают чувствительные схемы, но и позволяют инженеру разрабатывать различные аппаратные приложения.Оптопары позволяют избежать больших затрат на замену компонентов, защищая их. Однако оптопары сложнее предохранителей. Оптопары также позволяют удобно управлять соединением между двумя цепями, подключая и отключая их через оптрон. Оптопары широко используются в электронике, электротехнике и системах связи.

Как защитить чувствительные цепи от высокого напряжения

Оптопары

часто используются для подавления обратной ЭДС, шума и электрических скачков, попадающих в цепь MCU.Оптопары создают безопасное соединение между высоковольтным оборудованием и микроконтроллерами с помощью полной электрической изоляции. В случае, если цепь высокого напряжения вызывает скачок напряжения, скачок напряжения сохраняется только на выходной стороне оптопары, а цепь на входной стороне остается безопасной и незатронутой, поскольку обе стороны электрически изолированы. Оптопары также называют фотодиодами, оптоизоляторами, оптопарами и оптическими изоляторами.

Стандартная оптопара, такая как PC817, поддерживает напряжение изоляции входа-выхода до 5 кВ.[i] Большинство электронных компонентов работают при напряжении ниже 10 В, и если в систему попадает импульс молнии, он может вызвать напряжение до 10 кВ, чего достаточно, чтобы сразу поджечь электронные компоненты. Некоторые коммерческие оптопары могут выдерживать до 10 кВ изоляционного напряжения входа-выхода, которое используется для защиты от ударов молнии. [ii]

Замена сгоревших компонентов на печатной плате (PCB) может быть очень неудобной. Однако оптопары можно использовать для защиты дорогих компонентов.В случае неисправности оптопара сгорает и остальная часть цепи не пострадает. Оптопары не припаиваются непосредственно к цепи; вместо этого они помещаются в гнездо для интегрированного чипа (IC), поэтому их всегда можно легко заменить в случае сгорания.

Для подробного объяснения внутренней работы оптопары и того, как создать свою собственную оптопару с использованием светодиода и фотодиода, см. Предыдущий пост под названием «Защита микроконтроллера: создайте свой собственный оптрон».

Почему уровни земли на входе и выходе оптопары не соединены?

Цепи со стороны входа / выхода оптопары должны быть защищены от возможных рисков с обеих сторон.Хотя термин «напряжение на уровне земли» звучит так, как будто оно всегда равно 0 В, это не всегда так. Уровень земли источника 5 В и источника 220 В переменного тока может сильно отличаться; напряжение заземления, наблюдаемое источником 5 В, не обязательно должно быть таким же, как напряжение 220 В переменного тока. В таких случаях подключение заземляющих плоскостей от разных источников может быть опасным. Даже если напряжение 220 В переменного тока понижается и выпрямляется до 5 В постоянного тока, все равно не рекомендуется подключать уровень земли с обеих сторон друг к другу.Это может вызвать электрические сбои, поэтому уровни заземления обеих сторон ввода / вывода оптопары всегда остаются электрически отключенными. Для получения подробной информации о том, как общие точки и их пути обычно связаны, прочитайте статью Билла Швебера «Как должны быть связаны друг с другом земли и общие земли?»

Согласование импеданса: решение проблем с помощью оптронов

Во многих цепях связи важно установить согласованные импедансы между несколькими компонентами.Несоответствие может привести к неправильному результату. Однако оптопары могут использоваться для передачи сигнала без необходимости согласования импеданса с обеих сторон, поэтому оптопары широко используются в высокоскоростном телекоммуникационном оборудовании. По словам Джанет Хит, «в идеальном мире энергия сигнала, выходящая из штыря, должна проходить по дорожкам печатной платы и полностью поглощаться нагрузкой. Однако, если энергия не полностью поглощается нагрузкой (приемником), остаточная энергия может отражаться обратно через дорожку печатной платы, достигая исходного источника энергии на выходном контакте (драйвере).«[Iii] Оптопары на основе фотодиодов, такие как оптопара Toshiba TLP2719, могут поддерживать скорость передачи сигнала до 1 Мбит / с. Скоростные оптопары имеют скорость передачи данных до 50 Мбит / с. [Iv]

Использование оптопар для определения перехода через ноль источников переменного тока

Обнаружение перехода через нуль сети переменного тока необходимо во многих приложениях. Например, типичная система коррекции коэффициента мощности измеряет разницу углов между реальной мощностью и реактивной мощностью (обе составляющие общей мощности).Разница между реальной и реактивной мощностью измеряется путем отслеживания так называемого «перехода через ноль» волн напряжения и тока. «Переход через нуль» - это термин, обычно используемый в электронике, акустике, математике и обработке изображений. Нулевое пересечение обозначает место, где форма волны пересекает ее координатную ось (то есть, если вы изобразили форму волны). Пересечение нуля также указывает, когда форма волны, выраженная в виде математической функции, изменится с положительного на отрицательный и обратно. Обратите внимание, что некоторые схемы проверки частоты работают по принципу отслеживания переходов через ноль в сигналах источника переменного тока.[v]

Оптопары

могут использоваться для определения перехода через нуль в сети переменного тока. Время отклика оптопары составляет всего наносекунды; он быстро включается и выключается при переходе через ноль. Используя выпрямитель и фильтр в сети переменного тока, цифровые сигналы могут быть получены от оптопары. [Vi] Используя RC-фильтры, форму выходного сигнала можно изменять по мере необходимости.

Рисунок 1: Принципиальная схема контроля сети переменного тока с помощью оптопары. Входной сигнал переменного тока выпрямляется и фильтруется перед подачей сигнала на IRED оптопары.(Источник: ON Semiconductor)

Коммутационные аппараты с оптопарами

Оптопары

используются в качестве надежного барьера между цифровым выходом микроконтроллера и внешними компонентами, которые необходимо контролировать.

Рисунок 2: Принципиальная схема, показывающая соединение между микроконтроллером PIC16F877A (U2) и оптопарой PC817C (U1). Оптопара используется для переключения светодиода (D1). Транзисторы и реле могут использоваться для переключения нагрузок со сравнительно высокими напряжениями. (Источник: Автор)

Цифровой выход микроконтроллера на рисунке 3 инициирует сигнал 5 В постоянного тока (цифровой), который используется для переключения IRED в оптроне (U1).Выходные контакты микроконтроллера и IRED в оптроне могут поддерживать ограниченный ток; поэтому рекомендуется использовать резистор ограничения тока между выходом микроконтроллера и входом оптопары. Когда IRED включается, инфракрасный свет падает на фототранзистор, который приводит в действие (возбуждает) фототранзистор, после чего между контактами коллектора и эмиттера начинает течь ток. Коллектор и эмиттер фототранзистора поддерживают ограниченный ток.Если необходимо управлять устройством с более высокими характеристиками тока, то можно использовать транзистор для усиления выхода оптопары.

Заземление переключающего устройства не связано с общей землей в цепи микроконтроллера, так как это может привести к утечке шума в сторону микроконтроллера.

Считывание входных сигналов с помощью оптронов

Оптопары

могут использоваться для безопасного считывания уровней логического 0 и логической 1 от любого источника.Например, напряжения от бестрансформаторного источника питания могут содержать шум. В таких ситуациях, если входной сигнал напрямую связан с микроконтроллером, шум входящего сигнала может повлиять на работу микроконтроллера. Точно так же, если вход микроконтроллера случайно подвергается воздействию скачка напряжения, микроконтроллер немедленно разрушается (т. Е. Горит или «выпускает волшебный дым»). Однако использование оптопары между микроконтроллером и входным сигналом похоже на страховой полис и может предотвратить такие несчастные случаи.[vii]

Рисунок 3: Принципиальная схема, показывающая соединение между микроконтроллером Microchip PIC16F877A (U2 выше) и оптопарой PC817C (U1 выше). Оптопара используется для считывания цифрового сигнала. (Источник: Автор)

Заключение

Оптопары

не только защищают чувствительные схемы, но и позволяют инженерам разрабатывать различные аппаратные приложения. Использование оптопары значительно экономит затраты на замену компонентов и позволяет удобно контролировать соединение между двумя цепями путем подключения / отключения оптопары.Оптопары широко используются в электронных, электрических и коммуникационных системах.

[i] http://www.sharp-world.com/products/device/lineup/data/pdf/datasheet/pc817xnnsz_e.pdf

[ii] https://en.wikipedia.org/wiki/Opto-isolator

[iii] (Хит, 2018)

[iv] https://www.mouser.com/Optoelectronics/Optocouplers-Photocouplers/High-Speed-Optocouplers/_/N-6zsft/

[v] https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6717944

[vi] https: // www.onsemi.com/pub/Collateral/AN-3001.pdf.pdf

[vii] https://hackaday.com/2018/05/09/optocouplers-defending-your-microcontroller-midi-and-a-hot-tip-for-speed/

Оптопары / оптопары | Renesas

Renesas предлагает широкий спектр оптопар (оптопар), включая выходные оптопары (оптопары) IC с высоким откликом от 1 Мбит / с до 15 Мбит / с, а также транзисторные выходные устройства общего назначения с высоким напряжением изоляции, работой при высоких температурах и совместимостью с различными требованиями. международные стандарты безопасности.Для приводов двигателей специальные оптопары обеспечивают высокое напряжение изоляции, работу при высоких температурах, высокий выходной ток и высокоскоростное переключение.

Техническое описание и меры предосторожности

Технические описания функций, характеристик, конструкции и характеристик оптопар / оптопар.

Оптопары / оптопары

Пояснения к техническим характеристикам

Доступны общие характеристики для различных условий эксплуатации, включая абсолютные максимальные номинальные и электрические характеристики.

Как используются оптопары

Оптопары

в основном используются в качестве переключающего устройства для передачи импульсных сигналов и для передачи сигналов ошибки обратной связи в аналоговых импульсных регуляторах.

Явления шума

Поскольку оптопара работает без подключения какой-либо цепи к базе фототранзистора, иногда возникают два типичных типа шумовых явлений.

CTR / время отклика

Узнайте о текущих характеристиках передаточного отношения (CTR) и времени отклика оптопар / оптопар.

Оптопары с возможностью входа переменного тока

Узнайте, как оптопара, способная вводить переменный ток, позволяет вводить переменный ток с помощью двух светодиодов, соединенных спиной к спине на стороне входа.

Оптопары

в сравнении с OCMOS FETS

Как оптопары / оптопары, так и полевые МОП-транзисторы с оптической связью (SSR) передают сигналы, оставаясь электрически изолированными, изучите различия между этими устройствами.

Твердотельные реле (OCMOS FET)

Технические характеристики

Для полевых транзисторов Renesas OCMOS доступны общие характеристики для различных условий использования, включая абсолютные максимальные номинальные значения и электрические характеристики.

Структура и особенности

MOSFET с оптической связью - это полностью твердотельное реле, которое состоит из светодиода (LED) для входной стороны и MOSFET для точки контакта.

Операционные модели

Существует два типа полевых МОП-транзисторов с оптической связью: замыкающий (нормально открытый) и размыкающий (нормально закрытый).

Меры предосторожности при правильном использовании оптоэлектроники

Меры предосторожности при правильном использовании

Для получения требуемых оптических характеристик при использовании оптоэлектронных устройств необходимо соблюдать особую осторожность при установке, а также другие меры предосторожности.

Таблица классификации стандартов безопасности (оптопары / оптопары) Список одобрений

Таблица классификации стандартов безопасности оптопар / оптопар (одобрение UL, CSA, BSI, VDE)
Таблица классификации стандартов безопасности оптопар (SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO, CQC)

Оптопары | ИС оптопары | Высокоскоростные оптопары

5 9022 D1 0tlp7820_datasheet_en_20171018.pdf.pdf" data-variant="OptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin SO" data-description="OptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin SO" data-is-rohs-compliant="true" data-eccn-code="EAR99" data-source-part-id="V36:1790_22712934" data-promo-group="NPI" data-inventory-region="NAC" data-ships-from-country-name="" data-packaging-type="" data-quantity="0" data-unit-of-measure="" data-buying-options-count="1" data-npi="true" data-price="3.876" data-is-discontinued="false"> NOP 9018 9018 9018 9018 0tlp7820_datasheet_en_20171018.pdf.pdf" data-variant="OptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin SO" data-description="OptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin SO" data-is-rohs-compliant="true" data-eccn-code="EAR99" data-source-part-id="V99:2348_22712936" data-promo-group="NPI" data-inventory-region="NAC" data-ships-from-country-name="" data-packaging-type="" data-quantity="0" data-unit-of-measure="" data-buying-options-count="1" data-npi="true" data-price="2.841" data-is-discontinued="false"> 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 0tlp7820_datasheet_en_20171018.pdf.pdf" data-variant="OptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin SO T/R" data-description="OptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin SO T/R" data-is-rohs-compliant="true" data-eccn-code="EAR99" data-source-part-id="V36:1790_22712938" data-promo-group="NPI" data-inventory-region="NAC" data-ships-from-country-name="" data-packaging-type="" data-quantity="0" data-unit-of-measure="" data-buying-options-count="1" data-npi="true" data-price="2.27" data-is-discontinued="false"> 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 902 0tlp7820_datasheet_en_20171018.pdf.pdf" data-variant="OptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin SO" data-description="OptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin SO" data-is-rohs-compliant="true" data-eccn-code="EAR99" data-source-part-id="" data-promo-group="NPI" data-ships-from-country-name="" data-packaging-type="" data-unit-of-measure="" data-buying-options-count="0" data-npi="true" data-price="0" data-is-discontinued="false"> 9018 9022 9022 9018

5

0tlp7820_datasheet_en_20171018.pdf.pdf" data-variant="OptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin SO" data-description="OptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin SO" data-is-rohs-compliant="true" data-eccn-code="EAR99" data-source-part-id="TOSH_0111431" data-promo-group="Top Searched" data-inventory-region="NAC" data-ships-from-country-name="Hong Kong" data-packaging-type="" data-quantity="532" data-unit-of-measure="pieces" data-buying-options-count="1" data-npi="" data-price="7.684" data-is-discontinued="false"> 9022 902 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 Трубка 0tlp7820_datasheet_en_20171018.pdf.pdf" data-variant="OptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin SO" data-description="OptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin SO" data-is-rohs-compliant="true" data-eccn-code="5A991" data-source-part-id="V99:2348_16306347" data-promo-group="" data-inventory-region="NAC" data-ships-from-country-name="United States of America" data-packaging-type="" data-quantity="1" data-unit-of-measure="" data-buying-options-count="1" data-npi="" data-price="1.5813" data-is-discontinued="true"> 9022 9022 9018 9023 9018 9018 9018 9023 9018 9018 9018 9023 9018 9018 9018 .5 9022 .5 9022 0tlp7820_datasheet_en_20171018.pdf.pdf" data-variant="Optically Isolation Amplifiers Photocouplers" data-description="Optically Isolation Amplifiers Photocouplers" data-is-rohs-compliant="" data-eccn-code="EAR99" data-source-part-id="TOSH_0123830" data-promo-group="" data-inventory-region="NAC" data-ships-from-country-name="Hong Kong" data-packaging-type="" data-quantity="806" data-unit-of-measure="pieces" data-buying-options-count="1" data-npi="" data-price="7.663" data-is-discontinued="false">

сегодня
9018 9018 9018 9018 9018

1 канал, выход постоянного тока, 8 контактов

9022 DIP SMD Черный DIP
500+
$ 0,6306
9018 9018 9018 -40 ~ 85

4.5

37 они работают? - Аналоговые - Технические статьи

Гальваническая развязка - необходимая форма защиты всей электроники, взаимодействующей с людьми или другими цепями, от возможных событий высокого напряжения в диапазоне от десятков вольт до киловольт.Изоляция как форма защиты требует, чтобы связь между двумя цепями происходила через изоляционный или изолирующий барьер, который предотвращает прямое протекание тока между цепями.

За последние несколько десятилетий технология, используемая для изоляции цепей, перешла от оптической к кремниевой - но чем эти технологии действительно отличаются?

Как работает оптопара?

Оптопара, показанная на рисунке 1, состоит из входного светодиода, приемного фотодетектора и выходного драйвера.Схема драйвера и схемы светодиодов обычно создаются с использованием технологии комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS), при этом изоляция или изолирующий барьер обычно состоит из формовочного компаунда. И для входа, и для выхода изолятора оптопары требуются отдельные источники напряжения, подключенные через выводы анода и коллектора, и отдельные заземления, обычно подключаемые к контактам катода и эмиттера, чтобы поддерживать изоляцию сигналов между входом и выходом.

Рисунок 1: Оптопара с распиновкой

Обмен данными внутри оптопары происходит, когда примененный логический вход CMOS генерирует ток на стороне входа, который затем создает пропорциональный выход светодиода для передачи через барьер из литьевого компаунда к принимающему фотодетектору и выходу.

Изоляционные характеристики оптопары определяются сочетанием светодиода, формовочной массы, используемой между входом и выходом, и расстоянием через формовочную смесь. Поскольку формовочная смесь является ключевым фактором прочности изоляционного барьера, ее качество играет важную роль в сроке службы, надежности и производительности оптопары.

Органы по стандартизации

, включая Underwriters Laboratories (UL) и Verband der Elektrotechnik (VDE), определяют параметры оптопары, и эти рейтинги конкретно определяют «расстояние через изоляцию» для учета изменений формовочного состава во время производства, а также испытания частичного разряда для выявления дефектов формовочного компаунда, которые может снизить производительность изоляции в условиях стресса.Стандарты оптопар исторически не включали данные о надежности в течение срока службы или нагрузочные испытания под высоким напряжением для длительно приложенных высоких напряжений, и, таким образом, их стабильные долгосрочные характеристики и надежность могут значительно различаться.

Как работает изолятор на основе силикона?

Технология изоляции на основе кремния основана на технологии CMOS и состоит из двух отдельных микросхем интегральной схемы (ИС) - входной цепи и выходной цепи - соединенных через соединительные провода для передачи данных, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2: Поперечное сечение конструкции цифрового изолятора

Как входная, так и выходная стороны цифрового изолятора, как показано на рисунке 3, требуют отдельных источников напряжения (VCC1, VCC2) и отдельных заземлений (GND1, GND2) для поддержания развязки сигналов между входом и выходом.

Обмен данными внутри цифрового изолятора происходит при подаче на цифровой вход транзисторно-транзисторной логики или логики CMOS. Входной сигнал в цифровом виде преобразуется в частотную область, а затем проходит через высоковольтный емкостной барьер и через соединительный провод к ИС на приемной стороне.

Рисунок 3: Цифровой изолятор со схемой контактов

Изолятор схемы цифрового изолятора может быть либо одинарным, либо двойным емкостным барьером из диоксида кремния (SiO2), который в силу своей конструкции может выдерживать чрезвычайно высокие напряжения. Поскольку изоляционный барьер изготовлен из материала с высокой диэлектрической прочностью (см. Таблицу 1) и производится на строго контролируемой фабрике по производству пластин, а не на сборочной линии, изменение от детали к детали маловероятно, и ключевыми факторами, влияющими на характеристики изоляции, являются изоляция. технологии и дизайн.В официальном документе «Обеспечение качества и надежности изоляции сигналов высокого напряжения» исследуется, как этот производственный процесс обеспечивает надежность, защиту от ударов и усиленную изоляцию, эквивалентную двум уровням базовой изоляции в одном корпусе.

TLP7820 (LF4, EOptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin SO

1 Отправлено сегодня

Toshiba Оптопары 1 1 5000 -40 ~ 105 3300 4.5 5 8 SO SOP LOC110S-ELinear оптопары IXYS Оптопары 3750 -40 ~ 85 1 4 Трубка 8 PDIP SMD Нет O CHF
75+
$ 3,876
100+
$ 3,326
250+
$ 2,901
500+
$ 2,435
1000+
Однонаправленный 5.5 5000 -40 ~ 105 3300 4,5 5 8 SO
TLP7820 (D4-LF4, EOptoCoupler 1-CH 5V 8-контактный SO
75+
2,841 $
100+
$ 2,498
250+
$ 2,383
$ 2,383
284
1000+
$ 2,219
Toshiba Оптопары 1 Однонаправленные 5,5 4,5 5 8 SO СОП Нет Нет
TLP7820 (TP4, EOpto CH 5V R7 9044 Pin 9044) 1500+
2 доллара.270
4500+
$ 2,064
Toshiba Оптопары 1 Однонаправленные 5,5 4,5 5 8 SO СОП Нет Нет NO
TLP7830 (TP4, EOpto CH 5V R7 8186 Pin Toshiba Оптопары 1 5.5 5000 -40 ~ 105 4,5 5 8 SO СОП № TLP7820 (D4BLF4, EOptoCoupler 1-CH 5V 8-контактный SO
75+
$ 2,799
100+
$ 2,471
500+
$ 2,235
1000+
$ 2,235
1000+
$ 2,235
1000+
$ 2,235
1000+064
Toshiba Оптопары 1 Однонаправленные 5,5 5000 -40 ~ 105 8 SO SOP Нет Нет
TLP7820 (D4, EOptoCoupler 1-CH 5V 8-контактный SO Однонаправленный 5.5 5000 -40 ~ 105 3300 4,5 5 8 SO SOP №
66138-709Одноканальный керамический герметичный оптрон
213+
$ 40,8480
250+
$ 38,7665
500+
$ 37.0760
1000+
$
3855
2500+
$ 34.0400

21

Micropac Industries Оптопары 10 9 Нет Неизвестно
TLP7820 (TL, EOptoCoupler 1-CH 5V 5V 8-Pin Toshiba Оптопары 1 Однонаправленные 5.5 5000 -40 ~ 105 3300 4,5 5 8 SO SOP №
TLP7930 (D4-TP1, FOptoCoupler 5V 8-Pin PDIP SMD Tube
1+
$ 4,466
10+
$ 3,646
100+
$ 3,34005

269 Отправлено сегодня

Toshiba Оптопары 5,5 5000 -40 ~ 105 5000 -40 ~ 105 8 PDIP SMD DIP Нет Нет
TLP7820 (D4-A, EOptoCoupler 1-CH 5000 S 8-Pin SO сегодня поставляются Toshiba Оптопары 1 Однонаправленные 5.5 5000 -40 ~ 105 3300 4,5 5 8 SO SOP №
TLP7920 (D4, FOptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin PDIP Tube

9 Отправлено сегодня

Toshiba Оптопары 1 Однонаправленные.5 5000 -40 ~ 105 4,5 5 Трубка 8 PDIP
TLP7920 (D4-A, FOptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin PDIP Tube

1 Поставляется сегодня

Toshiba Оптопары 1 Направленные Однонаправленные5 5000 -40 ~ 105 4,5 5 Трубка 8 PDIP
TLP7920 (D4-B, FOptoCoupler 1-CH 5V 8-Pin PDIP Tube

75 Отправка сегодня

Toshiba Оптопары 1 Направленные Однонаправленные5 5000 -40 ~ 105 4,5 5 Трубка 8 PDIP
TLP7820 Оптопара 1-канальный 5V 8-контактный SO

4 Поставка за 4 дня

Toshiba Оптопары 1 Uni- 5000 -40 ~ 105 3300 4,5 5 8 SO SOP №
TLP7920 Оптопара, 1-канальный, 5 В, 8-контактный PDIP

2 Поставка за 4 дня

Toshiba Оптопары 1 Uni- 5000 -40 ~ 105 4,5 5 8 PDIP DIP
TLP7820 (TP4, E (усилители с оптической развязкой, оптопары)
1+
$ 7,663
10+
$ 6.041
50+
$ 4.132 100298
996
200+
$ 3.975

806 Доставка за 4 дня

Toshiba Оптопары Лента и катушка 8 SO Нет Нет
FOD2741ASOptocoupler DC-IN 1-CH, DC-OUT 8-Pin onsemi Оптопары 5000 -40 ~ 85 200 PDIP 9018 PD IP 902 902 902 Нет Нет Нет Нет
FOD2743BTV оптически изолированный усилитель ошибок
1+
$ 0.4854
10+
$ 0,4775
100+
$ 0,4253
500+
$ 0,4210
1000+
$ 0,4168

1,535

Сумка 8 PDIP DIP Нет
1+
$ 1.6917
10+
$ 1,1918
25+
$ 1,1217
100+
$ 0,85
5000 -40 ~ 85 200 Лента и катушка 8 PDIP SMD Черный NO
FOD2741BSVOptocoupler DC-IN 1-CH, DC-OUT 8-Pin
1+
$ 0.9176
10+
$ 0,8746
100+
$ 0,6751

800 Доставка сегодня

onsemi 200 Сумка 8 PDIP SMD Черный DIP Нет O Нет NO Усилитель

1089 Отправка сегодня

onsemi Оптопары 9018 9018 9018 9018 9018 PDI ДИП Нет NO NO
TLP7830 (TL, EOptoCoupler 5V 8-контактный SO
1+
$ 2.3000
10+
$ 2,2655
25+
$ 2,2299
50+
$ 2,1954
100+
$ 2,1609

Шаги 1

        8

            (нарезанные полосы):
            1,248

1,248 Отправлено сегодня

Toshiba Оптопары 5,5 5000 5 8 SO SOP Нет Нет
FOD2741AOptocoupler DC-IN 1-CH, DC-OUT 9018 9018 9018 8-канальный, контактный выход 9029
$ 1,1594
10+
$ 0,8623
100+
$ 0,6921

1,263 Доставка сегодня

onsemi Оптопары Оптопары Оптопары 200 Трубка 8 PDIP DIP Нет Нет NO Оптическая гальваническая изоляция 9

Изолирующие материалы

Диэлектрическая прочность

Воздух

~ 1 В среднекв. / Мкм

Эпоксидные смолы

~ 20 В среднекв. / Мкм

Смеси для форм с диоксидом кремния

~ 100 В среднекв. / Мкм

Полиимид

~ 300 В среднекв. / Мкм

SiO 2

~ 500 В среднекв. / Мкм

Таблица 1: Сравнение диэлектриков

Классы изоляции кремниевых цифровых изоляторов определяются серией высоковольтных испытаний, проводимых органами отраслевых стандартов, такими как UL, Международная электротехническая комиссия и VDE.Испытания аналогичны испытаниям для определения номинальных характеристик оптопары, как показано в таблице 2, с дополнительными высоковольтными испытаниями и требованиями к характеристикам материалов. Из-за дополнительных условий испытаний на устойчивость и надежность при высоком напряжении можно публиковать данные о надежности за срок службы.

Тема

VDE 0884-11 Емкостные и магнитные цифровые изоляторы

IEC 60747-5-5 Оптопары

Основная изоляция

Усиленная изоляция

Только усиленная изоляция

1

Макс.напряжение изоляции от импульсных перенапряжений, В IOSM

Испытательное напряжение = В IOSM x 1.3

Испытательное напряжение В IOSM x 1,6

Мин. 10 кВ

Мин. 10 кВ

2

Испытательное напряжение частичного разряда, В ПД (М)

1,5 x V IORM

1.875 x V IORM

1,875 x V IORM

3

Рабочее напряжение, В ИОРМ

На основе анализа TDDB

На основе анализа TDDB

На основе теста PD

4

Мин.номинальный срок службы

20 лет x 1,3 (коэффициент надежности)

20 лет x 1,875 (коэффициент безопасности

Не определено

5

Частота отказов за весь срок службы

1000 частей на миллион

1 страниц в минуту

Не определено

6

Разрешенные изоляционные материалы

SiO 2 и тонкопленочный полимер

SiO 2 и тонкопленочный полимер

Не ограничено

Таблица 2: Сравнение условий испытания оптопары / испытаний цифрового изолятора

Теперь вы должны иметь некоторое представление о различиях между оптической изоляцией и изоляцией на основе кремния, а также о роли материалов, производства и даже стандартных испытаний.Хотя как оптопара, так и изоляторы на основе кремния являются проверенными средствами защиты цепей, реальная проблема выбора наилучшего решения для изоляции для вашей конструкции будет зависеть от ваших проектных целей: надежность, срок службы и характеристики изолятора - все это играет роль в правильной технологии. выбор.

Дополнительные ресурсы:

Что такое оптоизолятор и как он работает?

Что такое оптоизолятор (оптический соединитель или оптрон)?

Оптоизолятор (также известный как оптический соединитель, оптопара, оптрон) - это полупроводниковое устройство, которое передает электрический сигнал между изолированными цепями с помощью света.

Эти электронные компоненты используются в большом количестве систем связи и мониторинга, в которых используется гальваническая развязка, чтобы излучатели высокого напряжения не влияли на схемы с низким энергопотреблением, принимающие сигнал.

Как работают оптоизоляторы?

Схема оптоизолятора состоит из излучателя, в данном случае инфракрасного светодиода (IRED) или лазерного диода для передачи входного сигнала и фотодатчика (или фототранзистора) для приема сигнала.Таким образом, входной сигнал может генерировать электрическую энергию или модулировать электрический ток, исходящий от электронного устройства или другого источника питания.

Когда входной ток подается на светодиодный фотодиод (обычный тип фотодатчика), генерируется инфракрасный свет, который проходит через материал внутри оптического изолятора. Луч проходит через прозрачный зазор и улавливается приемником, который действует как преобразователь. Используя изоляцию сигнала, датчик может преобразовывать модулированный свет обратно в выходной сигнал.

Входной стороной оптоизоляторов может быть фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, кремниевый выпрямитель или симистор. Твердотельное реле с оптопарой содержит оптоизолятор на фотодиоде, который управляет переключателем питания на выходной стороне, обычно это пара дополнительных полевых МОП-транзисторов.

Почему так важны оптоизоляторы?

Электронное оборудование, такое как микроконтроллеры, печатные платы и трансформаторы, подвержено скачкам напряжения из-за радиочастотных передач, ударов молнии и скачков напряжения источника питания.

Оптоизоляторы на основе фоторезисторов были впервые использованы в 1968 году в аудио- и музыкальной индустрии, чтобы избежать поломки оборудования, такого как гитарные усилители. Оптоизоляторы предлагают безопасный способ заставить высоковольтные компоненты и низковольтные устройства работать вместе пропорционально.

Оптоизолятор заключен в единое устройство (см. Изображение) и имеет вид интегральной схемы или транзистора с дополнительными выводами. Благодаря автоматизации организации могут использовать оптопары для изоляции цепей малой мощности от выходных цепей большей мощности и для удаления электрических помех из сигналов.

Иллюстрация того, как оптоизоляторы устраняют электрические помехи из сигналов.

Для каких целей используются оптоизоляторы? Оптоизоляторы

наиболее подходят для изоляции напряжения от цифровых сигналов, но их также можно использовать для передачи аналоговых сигналов.

Изоляция любой скорости передачи данных более 1 мегабита в секунду (Мбит / с) считается высокой скоростью. Наиболее распространенная скорость, доступная для цифровых и аналоговых оптоизоляторов, составляет 1 Мбит / с, хотя также доступны цифровые скорости 10 Мбит / с и 15 Мбит / с.

Оптоизоляторы

считаются слишком медленными для многих современных цифровых применений, но исследователи создали альтернативы с 1990-х годов.

В области связи высокоскоростные оптоизоляторы используются в источниках питания для серверов и телекоммуникационных приложений - например, технология Power over Ethernet (PoE) для проводных локальных сетей Ethernet. Компоненты оптоизоляторов также могут защитить Ethernet и оптоволоконные кабели от скачков напряжения. В телефонах VoIP электрические сигналы можно изолировать с помощью транзисторной выходной оптопары.

Хотя это уже не распространено, когда модемы используются для подключения к телефонным линиям, использование оптоизоляторов позволяет подключать компьютер к телефонной линии без риска повреждения из-за скачков напряжения или скачков напряжения. В этом случае в аналоговой части устройства используются два оптоизолятора: один для восходящих сигналов, а другой - для нисходящих сигналов. Если в телефонной линии произойдет скачок напряжения, это не повлияет на работу компьютера, поскольку оптический зазор не проводит электрический ток.

Оптопары

- работа, характеристики, интерфейс, схемы применения

ОПТОИЗОЛЯТОРЫ ИЛИ ОПТОИЗОЛЯТОРЫ

- это устройства, которые обеспечивают эффективную передачу сигнала постоянного тока и других данных по двум ступеням цепи, а также одновременно поддерживают отличный уровень гальванической развязки между ними.

Оптопары особенно полезны там, где электрический сигнал должен быть передан через два каскада цепи, но с крайней степенью гальванической развязки между каскадами.

Устройства оптопары работают как переключатели логического уровня между двумя цепями. Они могут блокировать передачу шума через интегральные схемы, изолировать логические уровни от высоковольтной линии переменного тока и устранять контуры заземления.

Оптопары становятся эффективной заменой реле и трансформаторов для сопряжения каскадов цифровых схем.

Кроме того, частотная характеристика оптопары оказывается несравнимой в аналоговых схемах.

Внутренняя конструкция оптопары

Внутренняя часть оптопары содержит светодиод инфракрасного или ИК-излучения (обычно изготавливается из арсенида галлия).Этот ИК-светодиод оптически связан с соседним кремниевым фотодетектором, который обычно представляет собой фототранзистор, фотодиод или любой аналогичный светочувствительный элемент. Эти два дополнительных устройства герметично заключены в непрозрачный светонепроницаемый корпус.

На приведенном выше рисунке показан вид в разрезе типичной шестиконтактной микросхемы оптопары с двойным входом (DIP). Когда на клеммы, подключенные к ИК-светодиоду, подается соответствующее прямое смещенное напряжение, он изнутри излучает инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 900 до 940 нанометров.

Этот ИК-сигнал попадает на соседний фотодетектор, который обычно представляет собой фототранзистор NPN (с чувствительностью, установленной на идентичной длине волны), и он мгновенно проводит, создавая непрерывность через его выводы коллектора / эмиттера.

Как видно на изображении, ИК-светодиод и фототранзистор установлены на соседних плечах рамки с выводами.

Выводная рамка выполнена в виде штамповки, вырезанной из тонкого проводящего листового металла, имеющего несколько ответвлений отделки.Изолированные подложки, которые используются для усиления устройства, создаются с помощью внутренних ответвлений. Соответствующая распиновка DIP соответственно развита из внешних ответвлений.

После установления проводящих соединений между корпусом кристалла и соответствующими выводами рамки, пространство вокруг ИК-светодиода и фототранзистора герметизируется прозрачной смолой с ИК-поддержкой, которая ведет себя как «световод» или оптический волновод. между двумя ИК-устройствами.

Окончательно весь узел формуют из светонепроницаемой эпоксидной смолы, образующей DIP-корпус. В конце выводы выводной рамки аккуратно загнуты вниз.

Распиновка оптопары

На приведенной выше схеме показана распиновка типичной оптопары в DIP-корпусе. Устройство также известно как оптоизолятор, поскольку между двумя микросхемами отсутствует ток, а только световые сигналы, а также потому, что ИК-излучатель и ИК-детектор имеют 100% электрическую изоляцию и изоляцию.

Другими популярными названиями, связанными с этим устройством, являются оптопары или изоляторы с фотонной связью.

Мы видим, что база внутреннего ИК-транзистора оканчивается на выводе 6 микросхемы. Эта база обычно остается неподключенной, поскольку основное назначение устройств - соединить две цепи через изолированный внутренний ИК-световой сигнал.

Точно так же контакт 3 имеет разомкнутую или неподключенную распиновку и не имеет значения. Внутренний ИК-фототранзистор можно превратить в фотодиод, просто закоротив и соединив базовый вывод 6 с эмиттерным выводом 4.

Однако указанная выше функция может быть недоступна в 4-контактных оптопарах или многоканальных оптопарах.

Характеристики оптопары

Оптопара

демонстрирует одну очень полезную характеристику, а именно ее эффективность связи света, называемую коэффициентом передачи тока или CTR.

Это соотношение улучшено за счет идеально согласованного спектра сигнала ИК-светодиода со спектром обнаружения соседнего фототранзистора.

CTR, таким образом, определяется как отношение выходного тока к входному при номинальном уровне смещения конкретного устройства оптопары.Он представлен в процентах:

CTR = I ced / I f x 100%

Когда в спецификации предлагается CTR, равный 100%, это относится к передаче выходного тока 1 мА для каждого мА ток на ИК-светодиод. Минимальные значения CTR могут отличаться от 20 до 100% для разных оптопар.

Факторы, которые могут изменять CTR, зависят от мгновенных характеристик входного и выходного напряжения питания и тока устройства.

На рисунке выше показан график зависимости выходного тока внутреннего фототранзистора оптопары (I CB ) от входного тока (I F ), когда на его выводы коллектора / базы подается VCB 10 В.

Важные технические характеристики оптопары

Некоторые из основных параметров оптопары можно изучить на основе данных, приведенных ниже:

Изоляционное напряжение (Viso) : это абсолютное максимальное напряжение переменного тока, которое может существовать на входе и каскады выходной цепи оптопары, не причиняя никакого вреда устройству.Стандартные значения этого параметра могут находиться в диапазоне от 500 В до 5 кВ (среднеквадратичное значение).

VCE: это можно понимать как максимальное напряжение постоянного тока, которое может быть приложено к выводам фототранзистора устройства. Обычно это может составлять от 30 до 70 вольт.

Если : это максимальный постоянный прямой ток постоянного тока, который может протекать через инфракрасный светодиод или I RED . Это стандартные значения допустимой нагрузки по току, указанные для выхода фототранзистора оптопары, которая может находиться в диапазоне от 40 до 100 мА.

Время нарастания / спада : этот параметр определяет логическую скорость отклика оптопары через внутренний ИК-светодиод и фототранзистор. Обычно это может составлять от 2 до 5 микросекунд как для подъема, так и для спада. Это также говорит нам о пропускной способности устройства оптрона.

Базовая конфигурация оптопары

На рисунке выше показана базовая схема оптопары. Величина тока, который может проходить через фототранзистор, определяется приложенным током прямого смещения ИК-светодиода или I RED , несмотря на то, что они полностью разделены.

Пока переключатель S1 удерживается разомкнутым, протекание тока через I RED запрещено, что означает, что фототранзистор не получает ИК-энергию.

Это делает устройство полностью неактивным, что приводит к появлению нулевого напряжения на выходном резисторе R2.

Когда S1 замкнут, ток может течь через I RED и R1.

Это активирует ИК-светодиод, который начинает излучать ИК-сигналы на фототранзистор, позволяя ему включиться, и это, в свою очередь, вызывает развитие выходного напряжения на R2.

Эта базовая схема оптрона особенно хорошо реагирует на входные сигналы переключения ВКЛ / ВЫКЛ.

Однако, при необходимости, схему можно модифицировать для работы с аналоговыми входными сигналами и генерирования соответствующих аналоговых выходных сигналов.

Типы оптопар

Фототранзистор любой оптопары может иметь множество различных выходных коэффициентов усиления и рабочих характеристик. Схема, поясняемая ниже, изображает шесть других форм вариантов оптопар, которые имеют свои собственные специфические комбинации IRED и выходного фотодетектора.

Первый вариант, приведенный выше, указывает на схему оптопары с двунаправленным входом и выходом фототранзистора с парой последовательно соединенных IRED на арсениде галлия для связи входных сигналов переменного тока, а также для защиты от обратной полярности на входе.

Обычно этот вариант может показывать минимальный CTR 20%.

Следующий тип, приведенный выше, иллюстрирует оптрон, выход которого усилен кремниевым усилителем фотодарлингтона. Это позволяет ему производить более высокий выходной ток по сравнению с другим обычным оптопаром.

Благодаря элементу Дарлингтона на выходе этот тип оптопар может обеспечивать минимальный CTR 500% при напряжении между коллектором и эмиттером от 30 до 35 вольт. Эта величина примерно в десять раз выше, чем у обычной оптопары.

Однако они могут быть не такими быстрыми, как другие обычные устройства, и это может быть значительным компромиссом при работе с соединителем фотодарлингтона.

Кроме того, эффективная полоса пропускания может быть уменьшена примерно в десять раз.Стандартные промышленные версии оптопар PhotoDarlington: от 4N29 до 4N33 и 6N138 и 6N139.

Вы также можете приобрести их в виде двух- и четырехканальных соединителей фотодарлингтона.

На третьей схеме выше показана оптопара с IRED и фотодатчиком MOSFET с двунаправленным линейным выходом. Диапазон напряжения изоляции этого варианта может достигать 2500 вольт (среднеквадратичное значение). Диапазон напряжения пробоя может составлять от 15 до 30 вольт, а время нарастания и спада составляет около 15 микросекунд каждое.

Следующий вариант, представленный выше, демонстрирует базовый оптофотосенсор на тиристоре или тиристоре. Здесь выход управляется через SCR. Напряжение изоляции соединителей типа OptoSCR обычно составляет от 1000 до 4000 вольт RMS. Он имеет минимальное напряжение блокировки от 200 до 400 В. Максимальный ток включения (I vr ) может составлять около 10 мА.

На изображении выше показана оптопара с выходом фототриака. Такие выходные ответвители на основе тиристоров обычно имеют прямое запирающее напряжение (VDRM) 400 В.

Также доступны оптопары со свойством триггера Шмитта. Этот тип оптопары показан выше, который включает в себя оптосенсор на основе ИС, имеющий ИС триггера Шмитта, которая преобразует синусоидальную волну или любую форму импульсного входного сигнала в прямоугольное выходное напряжение.

Эти устройства на базе ИС-фотоприемников фактически разработаны для работы по схеме мультивибратора. Напряжение развязки может составлять от 2500 до 4000 вольт.

Ток включения обычно указывается в диапазоне от 1 до 10 мА.Минимальный и максимальный рабочий уровни напряжения составляют от 3 до 26 вольт, а максимальная скорость передачи данных (NRZ) составляет 1 МГц.

Прикладные схемы

Внутреннее функционирование оптопар в точности аналогично работе дискретно настроенного узла ИК-передатчика и приемника.

Контроль входного тока

Как и любой другой светодиод, ИК-светодиоду оптопары также требуется резистор для управления входным током до безопасных пределов. Этот резистор можно подключить к светодиоду оптопары двумя основными способами, как показано ниже:

Резистор можно добавить последовательно либо с анодным выводом (a), либо с катодным выводом (b) IRED.

Оптопара переменного тока

В наших предыдущих обсуждениях мы узнали, что для входа переменного тока рекомендуется использовать оптопары переменного тока. Однако любую стандартную оптопару можно безопасно настроить с входом переменного тока, добавив внешний диод к входным контактам IRED, как показано на следующей схеме.

Эта конструкция также обеспечивает безопасность устройства от случайных условий обратного входного напряжения.

Цифровое или аналоговое преобразование

Чтобы получить цифровое или аналоговое преобразование на выходе оптопары, резистор может быть добавлен последовательно с контактом коллектора оптотранзистора или контактом эмиттера соответственно, как показано ниже:

Преобразование в Фототранзистор или фотодиод

Как указано ниже, выходной фототранзистор обычного 6-контактного DIP-оптопары можно преобразовать в выход фотодиода, соединив контакт 6 базы транзистора фототранзистора с землей и оставить эмиттер неподключенным или замкнуть его на pin6.

Эта конфигурация вызывает значительное увеличение времени нарастания входного сигнала, но также приводит к резкому снижению значения CTR до 0,2%.

Оптопара с цифровым интерфейсом

Оптопары могут быть превосходными, когда дело доходит до интерфейса цифрового сигнала, работая с различными уровнями питания.

Оптопары

могут использоваться для сопряжения цифровых ИС в идентичных семействах TTL, ECL или CMOS, а также в этих семействах микросхем.

Оптопары также являются фаворитами, когда речь идет о взаимодействии персональных компьютеров или микроконтроллеров с другими мейнфреймами или нагрузками, такими как двигатели, реле, соленоиды, лампы и т. Д.На приведенной ниже диаграмме показана схема сопряжения оптрона с цепями TTL.

Взаимодействие ИС TTL с оптопарой

Здесь мы видим, что IRED оптопары подключается к + 5 В и выходу затвора TTL, вместо обычного способа, который проходит между выходом TTL и землей.

Это связано с тем, что затворы TTL рассчитаны на очень низкие выходные токи (около 400 мкА), но предназначены для потребления тока с довольно высокой скоростью (16 мА). Следовательно, указанное выше соединение обеспечивает оптимальный ток активации для IRED, когда TTL низкий.Однако это также означает, что выходной отклик будет инвертирован.

Другой недостаток, который существует с выходом затвора TTL, заключается в том, что, когда его выход ВЫСОКИЙ или логическая 1, может генерировать уровень около 2,5 В, что может быть недостаточно для полного выключения IRED. Оно должно быть не менее 4,5 В или 5 В для полного выключения IRED.

Чтобы исправить эту проблему, включен R3, который обеспечивает полное отключение IRED всякий раз, когда выход затвора TTL становится ВЫСОКИМ, даже при 2,5 В.

Видно, что выходной контакт коллектора оптопары подключен между входом и землей ИС TTL.Это важно, потому что вход затвора TTL должен быть надлежащим образом заземлен, по крайней мере, ниже 0,8 В при 1,6 мА, чтобы обеспечить правильный логический 0 на выходе затвора. Следует отметить, что установка, показанная на рисунке выше, допускает неинвертирующий отклик на выходе.

Взаимодействие КМОП-микросхемы с оптопарой

В отличие от ТТЛ-аналога, КМОП-микросхемы имеют возможность без проблем генерировать и потреблять токи достаточной величины до нескольких мАсек.

Следовательно, эти ИС могут быть легко сопряжены с оптопарой IRED либо в режиме приемника, либо в режиме источника, как показано ниже.

Независимо от того, какая конфигурация выбрана на входе, R2 на выходе должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить полный размах выходного напряжения между состояниями логического 0 и 1 на выходе затвора КМОП.

Взаимодействие микроконтроллера Arduino и BJT с оптопарой

На приведенном выше рисунке показано, как согласовать выходной сигнал микроконтроллера или Arduino (5 В, 5 мА) с относительно высокой токовой нагрузкой через оптрон и каскады BJT.

При логике ВЫСОКОГО + 5В от Arduino оптопара IRED и фототранзистор остаются выключенными, и это позволяет Q1, Q2 и двигателю нагрузки оставаться включенными.

Теперь, как только выход Arduino становится низким, оптопара IRED активируется и включает фототранзистор. Это мгновенно заземляет базовое смещение Q1, отключая Q1, Q2 и двигатель.

Сопряжение аналоговых сигналов с оптопарой

Оптопара также может эффективно использоваться для сопряжения аналоговых сигналов на двух каскадных схемах путем определения порогового тока через IRED и последующей модуляции его прилагаемым аналоговым сигналом.

На следующем рисунке показано, как этот метод может быть применен для подключения аналогового аудиосигнала.

Операционный усилитель IC2 сконфигурирован как схема повторителя напряжения с единичным усилением. IRED оптрона может быть подключен к цепи отрицательной обратной связи.

Этот контур заставляет напряжение на R3 (и, следовательно, ток через IRED) точно следовать или отслеживать напряжение, которое прикладывается к контакту № 3 операционного усилителя, который является неинвертирующим входным контактом.

Этот вывод 3 операционного усилителя настроен на половину напряжения питания через цепь делителя потенциала R1, R2. Это позволяет модулировать вывод 3 сигналами переменного тока, которые могут быть аудиосигналом, и заставляет подсветку IRED изменяться в соответствии с этим аудиосигналом или модулирующим аналоговым сигналом.

Ток покоя или ток покоя, потребляемый для тока IRED, достигается при 1–2 мА через R3.

На выходной стороне оптопары ток покоя определяется фототранзистором. Этот ток развивает напряжение на потенциометре R4, значение которого необходимо отрегулировать так, чтобы он генерировал выходной сигнал покоя, который также был бы равен половине напряжения питания.

Эквивалент трекинг-модулированного выходного аудиосигнала извлекается через потенциометр R4 и отделяется через C2 для дальнейшей обработки.

Сопряжение симистора с оптопарой

Оптопары

можно идеально использовать для создания идеально изолированной связи между цепью управления с низким постоянным током и цепью управления симистором с высоким переменным током.

Рекомендуется, чтобы сторона заземления входа постоянного тока была подключена к надлежащей линии заземления.

Полную установку можно увидеть на следующей схеме:

Вышеупомянутая конструкция может использоваться для изолированного управления сетевыми лампами переменного тока, нагревателями, двигателями и другими подобными нагрузками.Эта схема не является управляемой установкой перехода через нуль, то есть триггер входа заставит симистор переключаться в любой точке формы сигнала переменного тока.

Здесь сеть, образованная R2, ​​D1, D2 и C1, создает разность потенциалов 10 В, полученную на входе линии переменного тока. Это напряжение используется для запуска симистора через Q1 всякий раз, когда сторона входа включается путем замыкания переключателя S1. Это означает, что пока S1 разомкнут, оптопара выключена из-за нулевого смещения базы Q1, которое удерживает симистор в выключенном состоянии.

В момент замыкания S1 активируется IRED, который включает Q1. Q1 впоследствии подключает 10 В постоянного тока к затвору симистора, который включает симистор, и в конечном итоге также включает подключенную нагрузку.

Следующая схема, представленная выше, разработана с использованием кремниевого монолитного переключателя нулевого напряжения CA3059 / CA3079. Эта схема позволяет симистору запускаться синхронно, то есть только во время перехода через нулевое напряжение формы сигнала цикла переменного тока.

При нажатии S1 операционный усилитель реагирует на это, только если цикл переменного тока на входе симистора составляет около нескольких мВ около линии пересечения нуля.Если входной триггер срабатывает, когда переменный ток не находится рядом с линией пересечения нуля, то операционный усилитель ждет, пока форма волны не достигнет точки пересечения нуля, и только после этого запускает симистор через положительную логику со своего контакта 4.

Эта функция переключения при переходе через нуль защищает подключенное устройство от внезапных сильных скачков и всплесков тока, поскольку включение выполняется на уровне перехода через нуль, а не когда переменный ток находится на более высоких пиках.

Это также устраняет ненужные радиочастотные шумы и помехи в линии электропередачи.Этот переключатель перехода через нуль на основе симистора с оптопарой можно эффективно использовать для создания SSR или твердотельных реле.

PhotoSCR и PhotoTriacs Optocoupler Application

Оптопары, имеющие фотодетектор в виде photoSCR и выход фото-симистора, обычно рассчитаны на более низкий выходной ток.

Однако, в отличие от других оптопар, optoTriac или optoSCR обладают довольно высокой способностью выдерживать импульсный ток (импульсный), который может быть намного выше, чем их номинальные среднеквадратичные значения.

Для оптопар SCR спецификация импульсного тока может достигать 5 ампер, но это может быть в виде длительности импульса 100 микросекунд и рабочего цикла не более 1%.

С симисторными оптопарами спецификация перенапряжения может составлять 1,2 А, что должно длиться только 10 микросекундных импульсов с максимальным рабочим циклом 10%.

На следующих изображениях показано несколько прикладных схем с использованием симисторных оптопар.

На первой схеме можно увидеть photoTriac, сконфигурированный для включения лампы непосредственно от линии переменного тока.Здесь лампа должна быть рассчитана на среднеквадратичное значение менее 100 мА и пиковое значение пускового тока менее 1,2 А для безопасной работы оптопары.

Вторая конструкция показывает, как можно настроить оптрон photoTriac для запуска ведомого симистора и последующего включения нагрузки в соответствии с любой предпочтительной номинальной мощностью. Эту схему рекомендуется использовать только с резистивными нагрузками, такими как лампы накаливания или нагревательные элементы.

На третьем рисунке выше показано, как две верхние схемы могут быть изменены для работы с индуктивными нагрузками, такими как двигатели.Схема состоит из R2, C1 и R3, которые генерируют фазовый сдвиг в цепи управления затвором симистора.

Это позволяет симистору выполнить правильное срабатывание. Резисторы R4 и C2 используются в качестве демпфирующей цепи для подавления и контроля всплесков напряжения из-за индуктивных обратных ЭДС.

Во всех вышеупомянутых приложениях размер R1 должен быть таким, чтобы на IRED подавался прямой ток не менее 20 мА для надлежащего срабатывание симисторного фотоприемника.

Приложение счетчика скорости или детектора оборотов

На приведенных выше рисунках поясняется пара уникальных специализированных модулей оптопар, которые могут использоваться для счетчиков скорости или приложений измерения оборотов.

Первая концепция представляет собой индивидуализированный узел соединитель-прерыватель с прорезями. Мы можем видеть щель в виде воздушного зазора между IRED и фототранзистором, которые установлены на отдельных коробках, обращенных друг к другу через щель воздушного зазора.

Обычно инфракрасный сигнал может проходить через слот без каких-либо блокировок, пока на модуль подается питание. Мы знаем, что инфракрасные сигналы можно полностью заблокировать, поместив на их пути непрозрачный объект. В обсуждаемом приложении, когда препятствие, такое как спицы колеса, может проходить через прорезь, это вызывает прерывание прохождения ИК-сигналов.

Затем они преобразуются в тактовую частоту на выходе клемм фототранзистора. Эта выходная тактовая частота будет варьироваться в зависимости от скорости колеса и может быть обработана для требуемых измерений. .

Ширина указанного паза может составлять 3 мм (0,12 дюйма). Фототранзистор, используемый внутри модуля с фототранзистором, должен быть указан с минимальным CTR около 10% в «открытом» состоянии.

Модуль фактически является копией стандартной оптопары со встроенным ИК-датчиком и фототранзистором, с той лишь разницей, что здесь они дискретно собраны внутри отдельных коробок с разделяющей их щелью с воздушным зазором.

Первый модуль выше может использоваться для измерения оборотов или как счетчик оборотов. Каждый раз, когда язычок колеса пересекает щель оптопары, фототранзистор выключается, генерируя единичный счет.

Прилагаемый второй дизайн показывает модуль оптопары, предназначенный для реагирования на отраженные ИК-сигналы.

IRED и фототранзистор установлены в отдельных отсеках модуля, поэтому обычно они не могут «видеть» друг друга. Однако два устройства установлены таким образом, что оба имеют общий угол фокусировки, равный 5 мм (0.2 дюйма) прочь.

Это позволяет модулю прерывателя обнаруживать близлежащие движущиеся объекты, которые нельзя вставить в тонкий слот. Этот тип оптического модуля с отражателем может использоваться для подсчета прохождения крупных объектов по ленточным конвейерам или объектов, скользящих по подающей трубе.

На втором рисунке выше мы видим модуль, применяемый в качестве счетчика оборотов, который обнаруживает отраженные ИК-сигналы между IRED и фототранзистором через зеркальные отражатели, установленные на противоположной поверхности вращающегося диска.

Расстояние между модулем оптопары и вращающимся диском равно фокусному расстоянию 5 мм пары эмиттерных детекторов.

Отражающие поверхности колеса могут быть выполнены с использованием металлической краски, ленты или стекла. Эти индивидуализированные модули дискретных оптопар могут также эффективно применяться для подсчета частоты вращения вала двигателя, измерения оборотов вала двигателя или вращения в минуту и ​​т. Д. Вышеупомянутая концепция фото-прерывателей и фоторефлекторов может быть построена с использованием любого опто-детекторного устройства, такого как фотодарлингтон, photoSCR, и устройства photoTriac в соответствии со спецификациями конфигурации выходной цепи.

Тревога вторжения в дверь / окно

Оптоизоляторный модуль прерывателя, описанный выше, может также эффективно использоваться как сигнализатор вторжения в дверь или окно, как показано ниже:

Эта схема более эффективна и проста в установке, чем обычное реле с магнитным герконом. тревога.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *