817B оптопара схема включения: Оптопара PC817 схема включения, характеристики и datasheet

Содержание

Рс 817 схема включения. Оптопара PC817 принцип работы и очень простая проверка

Описание, характеристики, Datasheet и методы проверки оптронов на примере PC817.

В продолжение темы «Популярные радиодетали при ремонтах импульсных блоков питания» разберем еще одну деталь- оптопара (оптрон) PC817. Он состоит из светодиода и фототранзистора. Между собой электрически никак не связанны, благодаря чему на основе PC817 можно реализовать гальваническую развязку двух частей схемы — например с высоким напряжением и с низким. Открытие фототранзистора зависит от освещенности светодиодом. Как это происходит более подробно я разберу в следующей статье где в экспериментах подавая сигналы с генератора и анализируя его при помощи осциллографа можно понять более точную картину работы оптопары.

Еще в других статьях я расскажу о нестандартном использовании оптрона первая в роли , а во второй . И используя эти схемные решения соберу очень простой тестер оптопар. Которому не не нужны никакие дорогие и редкие приборы, а всего лишь несколько дешевых радиодеталей.

Деталь не редкая и не дорогая. Но от нее зависит очень многое. Она используется практически в каждом ходовом (я не имею ввиду каком нибудь эксклюзивном) импульсном БЛОКЕ ПИТАНИЯ и выполняет роль обратной связи и чаще всего в связке тоже с очень популярной радиодеталью TL431

Для тех читателей, кому легче информацию воспринимать на слух, советуем посмотреть видео в самом низу страницы.

Оптопара (Оптрон) PC817

Краткие характеристики:

Корпус компактный:

  • шаг выводов – 2,54 мм;
  • между рядами – 7,62 мм.

Производитель PC817 – Sharp, встречаются другие производители электронных компонентов выпускают аналоги- например:

  • Siemens – SFH618
  • Toshiba – TLP521-1
  • NEC – PC2501-1
  • LITEON – LTV817
  • Cosmo – KP1010

Кроме одинарного оптрона PC817 выпускаются и другие варианты:

  • PC827 - сдвоенный;
  • PC837 – строенный;
  • PC847 – счетверенный.

Проверка оптопары

Для быстрой проверки оптопары я провел несколько тестовых экспериментов. Сначала на макетной плате.

Вариант на макетной плате

В результате удалось получить очень простую схему для проверки PC817 и других похожих оптронов.

Первый вариант схемы

Первый вариант я забраковал по той причине что он инвертировал маркировку транзистора с n-p-n на p-n-p

Поэтому чтобы не возникало путаницы я изменил схему на следующую;

Второй вариант схемы

Второй вариант работал правильно но неудобно было распаять стандартную панельку

под микросхему

Панелька SCS- 8

Третий вариант схемы

Самый удачный

Uf — напряжение на светодиоде при котором начинает открываться фототранзистор.

в моем варианте Uf = 1.12 Вольт.

В результате получилась такая очень простая конструкция:

Вид сверху

Вид снизу

Как видно из фото деталь развернута не по ключу.

Используя которую можно очень быстро проверить деталь. За свою практику ремонтов конечно не часто, но я сталкивался с неработающими оптопарами и раньше мне приходилось заморачиваться над проверкой детали когда иногда бывало заходил в тупик во время сложного ремонта.

Конечный вариант — все очень просто.

Печать

Иногда бывает такая неисправность, при вроде бы исправных элементах блока питания включение телевизора вызывает взрыв микросхемы в БП телевизора (или транзистора), а точную причину установить не удается. В этом случае стоит обратить внимание на оптопару.

Я не буду описывать все оптопары затрону лишь PC817 , ее datasheet и методику проверки.

Оптопара PC817 достаточно распространена и купить ее не проблема, да и цена невелика. Конечно в запасе всегда должно быть несколько оптопар, на всякий случай.

Оптопара РС817 состоит из светодиода и фототранзистора. Открытие фототранзистора зависит от освещенности светодиодом.

Если нужной оптопары нет, то можно установить другую, для этого проверьте datasheet имеющихся у вас оптопар на совпадение выводов с datasheet PC817 и основные параметры входное напряжение (светодиод), ток и напряжение транзистора. Пользуйтесь литературой или интернетом. Аналоги РС817 привожу в таблице

Проверка омметром это приблизительная проверка и сводится к проверке диода (сопротивление около 1,5 Ком) и транзистора (не звонится) смотрите datasheet, то есть – если с помощью омметра видно, что оптрон неисправен – значит неисправен. Если дефекта не обнаруживается — это не значит что оптрон исправен.

100% гарантии не может дать и проверка исправности оптопары с помощью небольших схем. Их вы можете легко найти в интернете. Вот одна из них.

С помощью этой схемы можно проверить оптопары двух видов, переключение происходит с помощью переключателя S1. Можно и еще проще

Свечение светодиода D1 и LED1 будет говорить об исправности оптопары. При подключении сверяйтесь с datasheet .

Выход из строя оптопары достаточно редок, хотя и случается, например в Шарпах после грозы, можно назвать типовым дефектом.


Оптопара оказывается весьма полезным прибором для осуществления обратной связи. Обычно вы можете встретить оптрон в схемах с передачей сигнала между частями схемы с различным напряжением, в импульсных блоках питания, когда напряжение на выходе становится выше нормы светодиод оптрона начинает светиться, открывая при этом фототранзистор, который уже в свою очередь прикрывает силовой транзистор первичной обмотки.


Вообще этот прибор появился уже давно, тогда вместо светодиодов использовались лампы накаливания, мощность, потребляемая ними высока, светоотдача маленькая, а частота с которой можно использовать его крайне мала, так как нить накала выходит в рабочее состояние медленно, да и тухнет далеко не мгновенно. Сейчас существует большой ассортимент оптронов с разной степенью интеграции, с закрытым или открытым оптическим каналом, с многими типами фотоприёмниками и источника света, но нас интересует самый распространенный PC817 в дискретном исполнении.


Ток на входе максимальный 0,05 А, максимальный импульсный может доходить до 1 А, напряжение типичное 1,2В. Обратное напряжение max 6 В, а рассеиваемая мощность до 70 мВт. В фототранзисторе ток коллектора может доходить до 50 мА, мощность коллектора 0,15 W, напряжение коллектор-эмиттер 35 В, эмиттер-коллектор 6 В. Внизу простая схема для проверки работоспособности вашего экземпляра.

PC817. Datasheet

PC817 datasheet

Иногда бывает такая неисправность, при вроде бы исправных элементах блока питания включение телевизора вызывает взрыв микросхемы в БП телевизора (или транзистора), а точную причину установить не удается. В этом случае стоит обратить внимание на оптопару.

Я не буду описывать все оптопары затрону лишь PC817, ее datasheet и методику проверки.

Оптопара PC817 достаточно распространена и купить ее не проблема, да и цена невелика. Конечно в запасе всегда должно быть несколько оптопар, на всякий случай.

Datasheet PC817 можно скачать здесь.

Оптопара РС817 состоит из светодиода и фототранзистора. Открытие фототранзистора зависит от освещенности светодиодом.

Если нужной оптопары нет, то можно установить другую, для этого проверьте datasheet имеющихся у вас оптопар на совпадение выводов с datasheet PC817 и основные параметры входное напряжение (светодиод), ток и напряжение транзистора. Пользуйтесь литературой или интернетом. Аналоги РС817 привожу в таблице

Проверка омметром это приблизительная проверка и сводится к проверке диода (сопротивление около 1,5 Ком) и транзистора (не звонится) смотрите datasheet, то есть – если с помощью омметра видно, что оптрон неисправен – значит неисправен. Если дефекта не обнаруживается — это не значит что оптрон исправен.

100% гарантии не может дать и проверка исправности оптопары с помощью небольших схем. Их вы можете легко найти в интернете. Вот одна из них.

 

С помощью этой схемы можно проверить оптопары двух видов, переключение происходит с помощью переключателя S1. Можно и еще проще

 

 

Свечение светодиода D1 и LED1 будет говорить об исправности оптопары. При подключении сверяйтесь с datasheet.

Выход из строя оптопары достаточно редок, хотя и случается, например в Шарпах после грозы, можно назвать типовым дефектом.

 

 

 

 

Оптопара: описание, подключение, схема, характеристики

Содержание
  • Принцип работы
  • Разновидности
  • Примеры
  • Вывод
  • FAQ

Принцип работы

Как нетрудно догадаться из названия, устройство состоит из пары элементов, как-то связанных с оптикой. Так и есть, первый - излучатель света, второй - приемник. В качестве излучателя может быть использован любой источник из видимого или невидимого спектра: светодиод, лазер, восковая свеча, да хоть лампочка Ильича. В качестве приемника: фототранзистор, фотодиод, реже камера. Оптопара может быть выполнена в качестве цельного, готового к применению устройства, содержащего в одном корпусе оба элемента, в таком случае оно еще известно под общим названием “оптрон”. Реже оптопара может представлять собой два отдельных устройства, которые взаимодействуют между собой на расстоянии без физического контакта. Несмотря на разницу в исполнениях, принцип работы у них одинаков - излучатель передает сигнал, приемник принимает. Для чего это нужно и как это использовать на практике, рассмотрим далее.

Разновидности

Назначений такому дуэту можно придумать массу, и эта масса разделяется, по принципу работы, на три вида. В первом случае Приемник фиксирует сам факт наличия сигнала на излучателе. Светит ему что-то или нет?

Данная схема используется, например, для передачи какой-либо информации между двумя независимыми и гальванически не связанными электрическими схемами. При этом оптопара так и называется: гальваническая развязка. В качестве сигнала может быть, например, источник напряжения 12В или 220В, а принимающая сторона работает на логике 3,3В, чтобы не сжечь первым второе, используем оптопару. Дешево, надежно и безопасно.

Во втором случае излучатель светит всегда, но мы контролируем наличие или отсутствие препятствий между источником и приемником.

Такого рода устройства применяются в качестве более точной и долговечной альтернативы концевым переключателям. Хороший пример - 3D принтеры. В более дорогих моделях в качестве датчиков крайних положений печатающего узла и столика используются именно оптопары. Остальные им завидуют и стремятся побыстрее проапгрейдить свои капризные механические концевики.

Третий тип консольный. Излучатель не светит непосредственно на приемник, но приемник все равно в состоянии уловить этот свет, если тот удачно отразится от какой-либо поверхности.

Применяется для определения наличия поверхности в принципе или ее отдельных свойств, например цвета. Подобного типа датчики широко используются для создания всем надоевших машин, ездящих вдоль черной линии, что уже является неким “Hello World!” в мире начинающих любителей робототехники.


Примеры

Оптроны конструктивно подразделяются на те же три вида, в зависимости от описанных выше принципов: закрытый, щелевой и открытый.

Закрытый оптрон полностью соответствует своему названию и представляет собой “черный ящик” со входом и выходом.

Устройство его очень простое, на входе светодиод, на выходе фототранзистор. Подаем напряжение на вход (не забывая про токоограничивающий резистор!), на выходе получаем либо открытый либо закрытый транзистор, что легко перевести в логический ноль или единицу.

В упрощенном виде схема подключения закрытого оптрона можно изобразить так:

В данном примере, пока кнопка разомкнута, на выходе будет считываться уверенная единица, но замыкая кнопку, транзистор закрывается и, как следствие, на выходе образуется не менее уверенный в себе ноль.

Показательным примером использования закрытого оптрона является управление реле. Каким бы ни было напряжение на силовой части, на сигнальную сторону никаких вредных воздействий не будет, даже если само реле сгорит от перегрузки или короткого замыкания.

В продаже имеются многокатальные оптроны, то есть имеющие несколько независимых входов и выходов, иногда это удобно для экономии места, а также (при некоторой сноровке и наличии дополнительных нехитрых электронных компонентов) позволяет конструировать логические схемы, избавляя контроллер от некоторых операций или вовсе обходясь без него. Кроме того, существуют оптроны симметричные, когда одновременно открывается несколько транзисторов, или асимметричные, когда одни открываются, а другие закрываются при одном и том же сигнале. Хватило бы фантазии как использовать все эти комбинации.

Более совершенным подвидом закрытых оптронов являются их цифровые братья. Они сразу предоставляют готовый сигнал на выходе, толерантны к большим диапазонам напряжений, уже имеют на борту элементы бинарной логики и намного быстрее реагируют. Время срабатывания исчисляется наносекундам, в отличие от микросекунд у традиционных вариантов. Иногда это преимущество очень существенно, особенно если речь идет скоростной передачи данных.

Щелевой оптрон может иметь любой размер и форму - от банального куба до самой непредсказуемой, в зависимости от технических нужд и фантазии изготовителя, но на нем обязательно должна присутствовать так называемая “оптическая щель”, разделяющая источник и приемник. Именно через нее проходит луч света, который может быть перекрыт объектом из внешнего мира.

Как уже упоминалось выше, подобные оптроны заменяют концевые переключатели, а также используются в оптических энкодерах, частным случаем которых является морально устаревшая шариковая мышь.

Частным случаем щелевого оптрона является оптопара из двух отдельных устройств. По сути, отличие лишь в отсутствии единого корпуса и наличии огромной “щели”, размер которой ограничивается мощностью излучателя и прозрачностью рабочей среды. В качестве излучателя для такого рода устройств чаще всего используется лазер, потому что его луч способен сохранять форму, размер и яркость на гораздо больших расстояниях, чем любые другие источники света. Применяется для контролирования перемещений больших объектов на производстве и в охранных системах. Часто сетки из таких оптронов можно видеть в квестах и голливудских фильмах, потому что они очень эффектно выглядят, правда только в дымке.

Ради любви к истине следует отметить, что движущиеся охранные лучи работают, вероятно, по другому принципу, так как перемещать приемники вслед за лучами технически очень сложно. Но киноделы этим не заморачиваются и, судя по всему, приемники им вовсе не нужны.

Еще одно интересное применение открытой оптопары. Если “растянуть” лазерный луч над водной гладью заполненной емкости и правильно соединить контакты с фотовспышкой, то удастся поймать в любом количестве нужное и красивое мгновение входа предмета в воду без использования дорогой скоростной камеры.

 

Открытый оптрон, более известный в народе как “датчик препятствий” и “датчик черной линии”, представляет собой излучатель и приемник, направленные в одну сторону.

 

Как правило, для таких датчиков используется инфракрасный спектр излучателя, чтобы минимизировать нежелательное влияние внешней засветки.

Кроме этого, важным отличием открытых оптронов от предыдущих видов является возможность регулировки чувствительности приемника. Если у закрытых и щелевых все просто: свет либо есть, либо его нет, то для открытых его может быть много или мало, а условную границу того, что считать “белым”, а что “черным”, можно слегка подкручивать вручную. Причем делать это в прямом смысле, вращая потенциометр отверткой. Для датчика препятствий физически это означает расстояние до поверхности (чем выше чувствительность, тем дальше заметит), а для датчика линии - контрастность этой самой линии на остальном фоне поля.

Широко применяются в автоматизации, охране, робототехнике, аттракционах и так далее.


Выводы

Оптопара - яркий, удачный и классический пример симбиоза двух элементарных компонентов электроники. Простое сочетание позволило получить надежное устройство с широким спектром применения:
  • датчики движения,
  • датчики препятствия,
  • датчики положения,
  • энкодеры,
  • гальваническая развязка в массе устройств,
  • многое другое.
Знать возможности оптопар, уметь пользоваться и правильно применять должен каждый уважающий себя DIY-мастер.

FAQ

Зачем нужен резистор на входе оптрона?
В качестве излучателя используется обычный по своим свойствам светодиод. Внутреннее сопротивление его стремится к нулю, а поэтому без резистора, ограничивающего ток, он очень быстро перегорит.

Каким образом считывать показание с выхода оптрона?
Так же как с обычной кнопки - или периодическим опросом, или через аппаратное прерывание.

Есть ли “дребезг” на выходе с оптрона?
Теоретически нет, обычный оптрон просто не успеет его передать, а цифровой обеспечен встроенным гистерезисом. Однако на практике такое возможно, например, когда край отслеживаемого щелевым оптроном объекта неровный и движется достаточно медленно. В этом случае в переходный период может произойти некоторое “мерцание”, когда светодиод будет то включаться, то выключаться. Подавлять нежелательный эффект можно так же, как “дребезг” кнопки, проще всего программно, при помощи подобранных - в зависимости от ситуации - пауз между опросами.

Можно ли обмануть датчик движения на оптопаре при помощи зеркала, как это показывают в некоторых фильмах?
Теоретически можно, но при помощи системы из четырех как минимум зеркал, которые “поднимут” луч, образуя арку для злоумышленника. Практически же воспользоваться такой системой почти невозможно, малейшее колебание - и луч собьется. Однако можно временно засветить приемник другим лазером, если устройство не оборудовано способом борьбы с такого рода обманом.

Можно ли при помощи датчика препятствий узнать расстояние до преграды?
Нет, датчик возвращает бинарный сигнал - либо “есть препятствие”, либо “нет препятствий”. Однако можно использовать несколько заранее отрегулированных на разное расстояние датчиков и получать примерную информацию о положении препятствия. Иногда это удобно, например, чтобы предварительно сбросить скорость робота, манипулятора, конвейера перед окончательной точной остановкой.

Сколько нужно датчиков черной линии для робота?
Достаточно одного, но двигаться робот будет медленно, регулярно теряя и ища линию. Два обеспечат довольно устойчивое распознавание линии и более-менее уверенное движение. Четыре и более обеспечат навигацию робота гоночными возможностями, если для этого есть остальные возможности.

Оптопара pc817 схема включения, характеристики и datasheet

Проверка мультиметром

Неисправный стабилитрон влияет на напряжение стабилизации источника питания, что сказывается на работоспособности аппаратуры

Поэтому специалисту важно знать, как проверить стабилитрон мультиметром на исправность

Проверка производится аналогично диоду. Если включить мультиметр в режим измерения сопротивления, то при подключении к стабилитрону в прямом направлении (красный щуп к аноду) прибор покажет минимальное сопротивление, а в обратном — бесконечность. Это говорит об исправности полупроводника.

Аналогично выполняется проверка стабилитрона мультиметром в режиме проверки диодов. В этом случае в прямом направлении на экране высветится падение напряжения в районе 400-600 мВ. В обратном либо I, левой части экрана либо .0L, либо какой-то другой знак который говорит о «бесконечности» в измерениях.

На рисунке снизу представлена методика проверки мультиметром.

Аналогичным образом можно проверить стабилитрон, не выпаивая из схемы. Но в этом случае прибор будет всегда показывать сопротивление параллельно подключенных ему элементов, что в некоторых случаях сделает проверку таким образом невозможной.

Однако такая проверка китайским тестером не является полноценной, потому что проверка производится только на пробой, или на обрыв перехода. Для полной проверки необходимо собирать небольшую схему. Пример такой схемы для проверки напряжения стабилитрона вы можете увидеть в видео ниже.

Пошаговая инструкция проверки мультимером

Перед началом проверки, прежде всего определяется структура триодного устройства, которая обозначается стрелкой эмиттерного перехода. Когда направление стрелки указывает на базу, то это вариант PNP, направление в сторону, противоположную базе, обозначает NPN проводимость.

Проверка мультимером PNP транзистора состоит из таких последовательных операций:

  1. Проверяем обратное сопротивление, для этого присоединяем «плюсовой» щуп прибора к его базе.
  2. Тестируется эмиттерный переход, для этого «минусовой» щуп подключаем к эмиттеру.
  3. Для проверки коллектора перемещаем на него «минусовой» щуп.

Результаты этих измерений должны показать сопротивление в пределах значения «1».

Для проверки прямого сопротивления меняем щупы местами:

  1. «Минусовой» щуп прибора присоединяем к базе.
  2. «Плюсовой» щуп поочередно перемещаем от эмиттера к коллектору.
  3. На экране мультиметра показатели сопротивления должны составить от 500 до 1200 Ом.

Данные показания свидетельствуют о том, что переходы не нарушены, транзистор технически исправен.

Многие любители имеют сложности с определением базы, и соответственно коллектора или эмиттера. Некоторые советуют начинать определение базы независимо от типа структуры таким способом: попеременно подключая черный щуп мультиметра к первому электроду, а красный – поочередно ко второму и третьему.

База обнаружится тогда, когда на приборе начнет падать напряжение. Это означает, что найдена одна из пар транзистора – «база – эмиттер» или «база – коллектор». Далее необходимо определить расположение второй пары таким же образом. Общий электрод у этих пар и будет база.

Технология оптоэлектронных реле International Rectifier

Оптоэлектронное реле International Rectifier, структура которого представлена на рисунке 1, включает в себя три основных функциональных узла: управляющую цепь, матрицу фотогальванических ячеек и выходной ключ.

Рис. 1. Структурная схема оптоэлектронного реле

Управляющая цепь содержит светодиод, преобразующий протекающий через него ток в инфракрасное излучение. Инфракрасный свет, пройдя некоторое расстояние в корпусе реле, попадает на матрицу фотогальванических ячеек, каждая из которых преобразует попадающий на нее свет в напряжение, которое, в свою очередь, управляет элементом, замыкающим выходной ключ.

Если ток через цепь управления не протекает, то светодиод не излучает свет, фотогальваническая матрица не формирует напряжение и выходной ключ размыкает цепь коммутации.

В оптореле переменного тока в качестве выходного ключа используется симистор. Характерной особенностью приборов данного типа является то, что размыкание выходного ключа происходит в тот момент, когда напряжение в коммутируемой цепи проходит через ноль. Поэтому применение реле на симисторах в цепях постоянного тока весьма затруднительно.

В оптореле постоянного тока в качестве выходного ключа используется одиночный биполярный или МОП-транзистор.

В универсальных оптореле (коммутирующих как постоянный, так и переменный ток) в качестве ключа используется пара МОП- или IGBT-транзисторов, соединенных истоками.

В линейке International Rectifier отсутствуют оптоэлектронные реле на симисторах. В отличие от симисторных, ключи на МОП-транзисторах характеризуются практически линейной зависимостью падения напряжения на открытом ключе от тока в нагрузке (IL) или, другими словами, постоянством сопротивления замкнутого ключа. В качестве выходного ключа используются или полевые МОП-транзисторы, выполненные по технологии HEXFET (запатентованной International Rectifier), или биполярные транзисторы с изолированным затвором — IGBT. Сдвоенные МОП-транзисторы, используемые в универсальных оптореле, получили название BOSFET.

Как проверить исправность резистора мультиметром

Для начала нужно узнать номинальные данные элемента. Если надпись на нем читается, то необходимо воспользоваться ею. Если нет – нужно обратиться к принципиальной схеме устройства. На ней указывается порядковый номер детали и ее номинальные данные. Например, надпись «R22» на печатной плате означает, что это резистор (R), и порядковый номер его среди резисторов принципиальной схемы – 22-й. Элементы на схеме нумеруют слева направо и сверху вниз, так удобнее искать необходимую деталь. Найдя номер R22 рядом с условным обозначением резистора, мы найдем под ним его номинальные данные.

Иногда параметры деталей указываются не на схеме, а на спецификации к ней. Она выполняется в виде таблицы с перечнем всех элементов устройства. В одной из граф указываются порядковые номера по схеме, в другой – номинальные данные.

Теперь, когда известна величина, на которую можно ориентироваться, можно приступать к проверке резистора мультиметром. Переводим прибор в режим измерения сопротивления, выбрав предел таким образом, чтобы ожидаемая величина была меньше его. Перед измерением неплохо проверить исправность проводов мультиметра: при замыкании их накоротко прибор должен показать ноль.

При измерениях величин, равных десяткам килом и выше, необходимо исключить влияние на результаты сопротивления тела человека. Оно тоже имеет определенное значение, и прибор его покажет. Если держать одновременно обеими руками щупы прибора и проверяемый элемент за выводы, то получатся искаженные результаты. Лучше проводить измерение, положив элемент на стол, или держать один из выводов с подключенным щупом в руке, а другим щупом прикасаться к противоположному контакту на весу.

Получив значение сопротивления, нужно сравнить его с номинальным, учитывая величину допуска. Если данные измерений не попадают в этот диапазон, элемент неисправен. Обычно при выходе из строя резистора мультиметр показывает обрыв (сопротивление равно бесконечности). Для того, чтобы в этом окончательно убедиться и исключить ошибки, переключайте пределы измерения прибора до максимального, повторяя измерения. Если он все-таки выдаст вам значение, отличное от бесконечности, то перепроверьте еще раз, те ли номинальные данные имеет проверяемая деталь и не ошиблись ли вы с коэффициентом (например, не заметили приставку «кило»).

Если сопротивление детали в норме, а сомнения все же остались или вы зашли в тупик в процессе поиска неисправности, попробуйте поставить такой же новый, заведомо исправный резистор на место сомнительного элемента. Иногда обрывы происходят при определенном положении выводов детали, и в процессе измерения она может показаться исправной. Такой дефект редко, но встречается. Если при установке нового резистора от него пойдет легкий дымок, и он начнет обугливаться, немедленно отключите питание устройства. Если вы не ошиблись с номиналом, то дело не в резисторе, ищите неисправную деталь в его цепи или где-то рядом.

Оцените статью:

Как проверить оптопару (оптрон) - схема и принцип работы самодельного тестера

Потребовался простой способ проверки оптронов. Не часто я с ними «общаюсь», но бывают моменты, когда надо определить — виноват ли оптрон?.. Для этих целей сделал очень простой пробник. «Конструкция выходного часа».

Внешний вид пробника:

Схема данного пробника очень проста:

Теория:
Оптроны(оптопары) стоят практически в каждом импульсном блоке питания для гальванической развязки цепи обратной связи. В составе оптрона находятся обычный светодиод и фототранзистор. Упрощенно говоря, это, своего рода, маломощное электронное реле, с контактами на замыкание.

Принцип работы оптрона: Когда через встроенный светодиод проходит электрический ток, светодиод (в оптроне) начинает светиться, свет попадает на встроенный фототранзистор и открывает его.

Оптроны часто выпускается в корпусе Dip
Первая ножка микросхемы, по стандарту обозначается ключом, точкой на корпусе микросхемы, она же анод светодиода, далее номера ножек идут по окружности, против часовой стрелки.

Суть проверки: Фототранзистор, при попадании на него света от внутреннего светодиода,
переходит в открытое состояние, а сопротивление его — резко уменьшится (с очень большого сопротивления, до примерно 30-50 Ом.).

Практика:
Единственным минусом данного пробника является то, что для проверки необходимо выпаять оптрон и установить в держатель согласно ключу(у меня роль напоминалки является кнопка тестирования — она смещена в сторону, и ключ оптрона должен смотреть на кнопку).
Далее, при нажатии кнопки, (если оптрон цел), оба светодиода загорятся: Правый будет сигнализировать о том, что светодиод оптрона рабочий(цепь не разорвана), а левый сигнализировать о работоспособности фототранзистора(цепь не разорвана).

(Держатель у меня был только DIP-6 и пришлось залить неиспользуемые контакты термоклеем.)

Для окончательного тестирования, необходимо перевернуть оптрон «не по ключу» и проверить уже в таком виде — оба светодиода не должны гореть. Если же горят оба или один из них, то это говорит нам о коротком замыкании в оптроне.

Рекомендую такой пробник в качестве первого, для начинающих радиолюбителей, которым необходимо проверять оптроны раз в полгода, год)
Существуют и более современные схемы с логикой и сигнализацией о «выходе из параметров», но такие нужны для очень узкого круга людей.

Оптрон 817 схема включения на 220в. Оптопара PC817 принцип работы и очень простая проверка

Печать

Иногда бывает такая неисправность, при вроде бы исправных элементах блока питания включение телевизора вызывает взрыв микросхемы в БП телевизора (или транзистора), а точную причину установить не удается. В этом случае стоит обратить внимание на оптопару.

Я не буду описывать все оптопары затрону лишь PC817 , ее datasheet и методику проверки.

Оптопара PC817 достаточно распространена и купить ее не проблема, да и цена невелика. Конечно в запасе всегда должно быть несколько оптопар, на всякий случай.

Оптопара РС817 состоит из светодиода и фототранзистора. Открытие фототранзистора зависит от освещенности светодиодом.

Если нужной оптопары нет, то можно установить другую, для этого проверьте datasheet имеющихся у вас оптопар на совпадение выводов с datasheet PC817 и основные параметры входное напряжение (светодиод), ток и напряжение транзистора. Пользуйтесь литературой или интернетом. Аналоги РС817 привожу в таблице

Проверка омметром это приблизительная проверка и сводится к проверке диода (сопротивление около 1,5 Ком) и транзистора (не звонится) смотрите datasheet, то есть – если с помощью омметра видно, что оптрон неисправен – значит неисправен. Если дефекта не обнаруживается — это не значит что оптрон исправен.

100% гарантии не может дать и проверка исправности оптопары с помощью небольших схем. Их вы можете легко найти в интернете. Вот одна из них.

С помощью этой схемы можно проверить оптопары двух видов, переключение происходит с помощью переключателя S1. Можно и еще проще

Свечение светодиода D1 и LED1 будет говорить об исправности оптопары. При подключении сверяйтесь с datasheet .

Выход из строя оптопары достаточно редок, хотя и случается, например в Шарпах после грозы, можно назвать типовым дефектом.

Описание, характеристики, Datasheet и методы проверки оптронов на примере PC817.

В продолжение темы «Популярные радиодетали при ремонтах импульсных блоков питания» разберем еще одну деталь- оптопара (оптрон) PC817. Он состоит из светодиода и фототранзистора. Между собой электрически никак не связанны, благодаря чему на основе PC817 можно реализовать гальваническую развязку двух частей схемы — например с высоким напряжением и с низким. Открытие фототранзистора зависит от освещенности светодиодом. Как это происходит более подробно я разберу в следующей статье где в экспериментах подавая сигналы с генератора и анализируя его при помощи осциллографа можно понять более точную картину работы оптопары.

Еще в других статьях я расскажу о нестандартном использовании оптрона первая в роли , а во второй . И используя эти схемные решения соберу очень простой тестер оптопар. Которому не не нужны никакие дорогие и редкие приборы, а всего лишь несколько дешевых радиодеталей.

Деталь не редкая и не дорогая. Но от нее зависит очень многое. Она используется практически в каждом ходовом (я не имею ввиду каком нибудь эксклюзивном) импульсном БЛОКЕ ПИТАНИЯ и выполняет роль обратной связи и чаще всего в связке тоже с очень популярной радиодеталью TL431

Для тех читателей, кому легче информацию воспринимать на слух, советуем посмотреть видео в самом низу страницы.

Оптопара (Оптрон) PC817

Краткие характеристики:

Корпус компактный:

  • шаг выводов – 2,54 мм;
  • между рядами – 7,62 мм.

Производитель PC817 – Sharp, встречаются другие производители электронных компонентов выпускают аналоги- например:

  • Siemens – SFH618
  • Toshiba – TLP521-1
  • NEC – PC2501-1
  • LITEON – LTV817
  • Cosmo – KP1010

Кроме одинарного оптрона PC817 выпускаются и другие варианты:

  • PC827 - сдвоенный;
  • PC837 – строенный;
  • PC847 – счетверенный.

Проверка оптопары

Для быстрой проверки оптопары я провел несколько тестовых экспериментов. Сначала на макетной плате.

Вариант на макетной плате

В результате удалось получить очень простую схему для проверки PC817 и других похожих оптронов.

Первый вариант схемы

Первый вариант я забраковал по той причине что он инвертировал маркировку транзистора с n-p-n на p-n-p

Поэтому чтобы не возникало путаницы я изменил схему на следующую;

Второй вариант схемы

Второй вариант работал правильно но неудобно было распаять стандартную панельку

под микросхему

Панелька SCS- 8

Третий вариант схемы

Самый удачный

Uf — напряжение на светодиоде при котором начинает открываться фототранзистор.

в моем варианте Uf = 1.12 Вольт.

В результате получилась такая очень простая конструкция:

Вид сверху

Вид снизу

Как видно из фото деталь развернута не по ключу.

Используя которую можно очень быстро проверить деталь. За свою практику ремонтов конечно не часто, но я сталкивался с неработающими оптопарами и раньше мне приходилось заморачиваться над проверкой детали когда иногда бывало заходил в тупик во время сложного ремонта.

Конечный вариант — все очень просто.


Оптопара оказывается весьма полезным прибором для осуществления обратной связи. Обычно вы можете встретить оптрон в схемах с передачей сигнала между частями схемы с различным напряжением, в импульсных блоках питания, когда напряжение на выходе становится выше нормы светодиод оптрона начинает светиться, открывая при этом фототранзистор, который уже в свою очередь прикрывает силовой транзистор первичной обмотки.


Вообще этот прибор появился уже давно, тогда вместо светодиодов использовались лампы накаливания, мощность, потребляемая ними высока, светоотдача маленькая, а частота с которой можно использовать его крайне мала, так как нить накала выходит в рабочее состояние медленно, да и тухнет далеко не мгновенно. Сейчас существует большой ассортимент оптронов с разной степенью интеграции, с закрытым или открытым оптическим каналом, с многими типами фотоприёмниками и источника света, но нас интересует самый распространенный PC817 в дискретном исполнении.


Ток на входе максимальный 0,05 А, максимальный импульсный может доходить до 1 А, напряжение типичное 1,2В. Обратное напряжение max 6 В, а рассеиваемая мощность до 70 мВт. В фототранзисторе ток коллектора может доходить до 50 мА, мощность коллектора 0,15 W, напряжение коллектор-эмиттер 35 В, эмиттер-коллектор 6 В. Внизу простая схема для проверки работоспособности вашего экземпляра.

Оптопара 817 схема включения. Оптопара PC817 принцип работы и очень простая проверка

Печать

Иногда бывает такая неисправность, при вроде бы исправных элементах блока питания включение телевизора вызывает взрыв микросхемы в БП телевизора (или транзистора), а точную причину установить не удается. В этом случае стоит обратить внимание на оптопару.

Я не буду описывать все оптопары затрону лишь PC817 , ее datasheet и методику проверки.

Оптопара PC817 достаточно распространена и купить ее не проблема, да и цена невелика. Конечно в запасе всегда должно быть несколько оптопар, на всякий случай.

Оптопара РС817 состоит из светодиода и фототранзистора. Открытие фототранзистора зависит от освещенности светодиодом.

Если нужной оптопары нет, то можно установить другую, для этого проверьте datasheet имеющихся у вас оптопар на совпадение выводов с datasheet PC817 и основные параметры входное напряжение (светодиод), ток и напряжение транзистора. Пользуйтесь литературой или интернетом. Аналоги РС817 привожу в таблице

Проверка омметром это приблизительная проверка и сводится к проверке диода (сопротивление около 1,5 Ком) и транзистора (не звонится) смотрите datasheet, то есть – если с помощью омметра видно, что оптрон неисправен – значит неисправен. Если дефекта не обнаруживается — это не значит что оптрон исправен.

100% гарантии не может дать и проверка исправности оптопары с помощью небольших схем. Их вы можете легко найти в интернете. Вот одна из них.

С помощью этой схемы можно проверить оптопары двух видов, переключение происходит с помощью переключателя S1. Можно и еще проще

Свечение светодиода D1 и LED1 будет говорить об исправности оптопары. При подключении сверяйтесь с datasheet .

Выход из строя оптопары достаточно редок, хотя и случается, например в Шарпах после грозы, можно назвать типовым дефектом.

Описание, характеристики, Datasheet и методы проверки оптронов на примере PC817.

В продолжение темы «Популярные радиодетали при ремонтах импульсных блоков питания» разберем еще одну деталь- оптопара (оптрон) PC817. Он состоит из светодиода и фототранзистора. Между собой электрически никак не связанны, благодаря чему на основе PC817 можно реализовать гальваническую развязку двух частей схемы — например с высоким напряжением и с низким. Открытие фототранзистора зависит от освещенности светодиодом. Как это происходит более подробно я разберу в следующей статье где в экспериментах подавая сигналы с генератора и анализируя его при помощи осциллографа можно понять более точную картину работы оптопары.

Еще в других статьях я расскажу о нестандартном использовании оптрона первая в роли , а во второй . И используя эти схемные решения соберу очень простой тестер оптопар. Которому не не нужны никакие дорогие и редкие приборы, а всего лишь несколько дешевых радиодеталей.

Деталь не редкая и не дорогая. Но от нее зависит очень многое. Она используется практически в каждом ходовом (я не имею ввиду каком нибудь эксклюзивном) импульсном БЛОКЕ ПИТАНИЯ и выполняет роль обратной связи и чаще всего в связке тоже с очень популярной радиодеталью TL431

Для тех читателей, кому легче информацию воспринимать на слух, советуем посмотреть видео в самом низу страницы.

Оптопара (Оптрон) PC817

Краткие характеристики:

Корпус компактный:

  • шаг выводов – 2,54 мм;
  • между рядами – 7,62 мм.

Производитель PC817 – Sharp, встречаются другие производители электронных компонентов выпускают аналоги- например:

  • Siemens – SFH618
  • Toshiba – TLP521-1
  • NEC – PC2501-1
  • LITEON – LTV817
  • Cosmo – KP1010

Кроме одинарного оптрона PC817 выпускаются и другие варианты:

  • PC827 - сдвоенный;
  • PC837 – строенный;
  • PC847 – счетверенный.

Проверка оптопары

Для быстрой проверки оптопары я провел несколько тестовых экспериментов. Сначала на макетной плате.

Вариант на макетной плате

В результате удалось получить очень простую схему для проверки PC817 и других похожих оптронов.

Первый вариант схемы

Первый вариант я забраковал по той причине что он инвертировал маркировку транзистора с n-p-n на p-n-p

Поэтому чтобы не возникало путаницы я изменил схему на следующую;

Второй вариант схемы

Второй вариант работал правильно но неудобно было распаять стандартную панельку

под микросхему

Панелька SCS- 8

Третий вариант схемы

Самый удачный

Uf — напряжение на светодиоде при котором начинает открываться фототранзистор.

в моем варианте Uf = 1.12 Вольт.

В результате получилась такая очень простая конструкция:

Вид сверху

Вид снизу

Как видно из фото деталь развернута не по ключу.

Используя которую можно очень быстро проверить деталь. За свою практику ремонтов конечно не часто, но я сталкивался с неработающими оптопарами и раньше мне приходилось заморачиваться над проверкой детали когда иногда бывало заходил в тупик во время сложного ремонта.

Конечный вариант — все очень просто.


Оптопара оказывается весьма полезным прибором для осуществления обратной связи. Обычно вы можете встретить оптрон в схемах с передачей сигнала между частями схемы с различным напряжением, в импульсных блоках питания, когда напряжение на выходе становится выше нормы светодиод оптрона начинает светиться, открывая при этом фототранзистор, который уже в свою очередь прикрывает силовой транзистор первичной обмотки.


Вообще этот прибор появился уже давно, тогда вместо светодиодов использовались лампы накаливания, мощность, потребляемая ними высока, светоотдача маленькая, а частота с которой можно использовать его крайне мала, так как нить накала выходит в рабочее состояние медленно, да и тухнет далеко не мгновенно. Сейчас существует большой ассортимент оптронов с разной степенью интеграции, с закрытым или открытым оптическим каналом, с многими типами фотоприёмниками и источника света, но нас интересует самый распространенный PC817 в дискретном исполнении.


Ток на входе максимальный 0,05 А, максимальный импульсный может доходить до 1 А, напряжение типичное 1,2В. Обратное напряжение max 6 В, а рассеиваемая мощность до 70 мВт. В фототранзисторе ток коллектора может доходить до 50 мА, мощность коллектора 0,15 W, напряжение коллектор-эмиттер 35 В, эмиттер-коллектор 6 В. Внизу простая схема для проверки работоспособности вашего экземпляра.

Оптоизолятор

- Оптрон для переключения 24 В с использованием Arduino

доступный выходной ток с оптопарой ограничен небольшими значениями.

Вы не можете напрямую переключить относительно сильноточную нагрузку с помощью оптопары. Но его можно использовать как предварительный усилитель (или предварительный драйвер) для переключающего транзистора.

Как мне перепроектировать мою схему, чтобы включить оптопару и какую оптопару, которая может быть необходима, учитывая, что я не отправляю данные, а только сигнал включения-выключения, который не нужно слишком часто переключать назад и вперед?

Рекомендовать определенные детали здесь не по теме.Тем не менее, я рекомендую вам использовать любые оптопары серии 817, поскольку они слишком распространены и их очень легко найти в любой точке мира. Те, которые имеют относительно более высокий CTR (текущий коэффициент передачи), будут лучше, поэтому HCPL817 (любой рейтинг CTR, начиная с B) может быть хорошим вариантом.

CTR для оптопары - это просто отношение тока коллектора к току светодиода. Это можно представить как что-то вроде h FE из BJT.

Что касается использования его для переключения нагрузки, вот схема, которую вы можете использовать:

смоделировать эту схему - Схема создана с помощью CircuitLab

Я выбрал BC547 в качестве транзистора переключения нагрузки, потому что он имеет относительно высокое значение h FE (я лично предпочитаю использовать 2N390x для относительно более быстрых приложений переключения) .Поскольку здесь BJT должен работать в режиме насыщения, достаточно базового тока от одной двадцатой до одной десятой тока нагрузки (это практический совет для малосигнальных BJT) . Итак, для \ $ \ mathrm {I_C = 175mA} \ $ минимальный базовый ток может быть \ $ \ mathrm {I_B = I_C / 15 = 12mA} \ $ вполне достаточно.

\ $ \ mathrm {I_B} \ $ BJT проходит через транзистор оптопары. Предполагая, что на транзисторе оптопары при 12 мА падение напряжения 1 В, резистор ограничителя тока для базы BJT может быть \ $ \ mathrm {R2 = (24 В - 1 В) / 12 мА = 1k9} \ $.Ближайшее стандартное значение - 1k8. R5 должен гарантировать выключенное состояние BJT (то есть предотвратить любую нестабильность базового эмиттера, которая может вызвать случайное включение).

Предполагая, что минимальный CTR оптопары составляет 100%, требуемый минимальный ток светодиода составляет 12 мА. Прямое падение напряжения светодиода оптопары составляет около 1,1 В при 12 мА, поэтому резистор ограничителя тока равен \ $ \ mathrm {R1 = (5 В - 1,1 В) / 12 мА \ приблизительно 3 к3} \ $.

Как используются оптопары / оптопары

Оптопары

используют свет от светоизлучающего диода для проведения тока через фототранзистор

Оптопары (также известные как оптопары) генерируют свет, используя светоизлучающий диод (LED) для генерации тока, который проходит через фототранзистор.

Рисунок 1. Схема внутренней эквивалентности

Здесь мы опишем, как используется оптопара общего назначения с этой базовой структурой.

Оптопары в основном используются для следующих целей:

  • В качестве коммутирующего устройства для передачи импульсных сигналов
  • Для передачи сигналов ошибки обратной связи в аналоговых импульсных регуляторах

Работа оптопар при использовании в качестве переключающих устройств более проста, поэтому мы начнем с описания этой операции.

Транзистор на выходной стороне работает как переключатель

Когда оптопары используются в качестве переключающих устройств, фототранзистор на выходной стороне работает просто как переключатель. Когда в качестве переключателя используется обычный транзистор, работа различается в зависимости от того, подключена ли нагрузка к эмиттеру (эмиттерный повторитель или общий коллектор) или к коллектору (общий эмиттер). Однако в случае оптопар общего назначения база фототранзистора остается неподключенной, поэтому ток базы всегда течет от коллектора.Это означает, что транзистор насыщен и переключается одинаково, независимо от того, подключена ли нагрузка к коллектору или к эмиттеру. Единственное отличие состоит в том, что полярность выходного сигнала становится противоположной.

Рисунок 2. Подключение нагрузки

Сколько составляет выходной ток?

Несмотря на то, что оптопару можно назвать переключателем, ее выходной контакт не может быть подключен к большой нагрузке, такой как двигатель. Если вы посмотрите на номинальные значения выходного тока для всех оптопар общего назначения, даже самые высокие, то ток никогда не превышает нескольких десятков миллиампер.Емкость цепи по току следует считать достаточной для зажигания светодиода.

Рисунок 3. Пример перегруженной цепи

Так сколько же на самом деле выходного тока протекает через оптопару?

В следующем пояснении рассматривается максимальный выходной ток. Если вы думаете о выходном токе менее 2–3 мА, это объяснение не применимо. В этом случае обратитесь к разделу «Сколько входного тока (I F ) требуется для генерации выходного тока?») Ниже.

  1. Максимальный номинальный входной ток (I F )
  2. Максимальный номинальный выходной ток, который может быть создан, когда входной ток (I F ) находится в допустимом диапазоне
  3. Снижение выходного тока (I C ) по мере ухудшения характеристик со временем
  4. Диапазон выходного тока (I C ), в котором выходное напряжение в открытом состоянии остается ниже определенного значения

Из них значение (1) одинаково для оптопар на одном транзисторе и транзистора Дарлингтона, тогда как значения (2), (3) и (4) различаются в зависимости от типа транзистора.Поэтому пояснение (1) ниже применимо ко всем типам транзисторов, а (2) будет объяснено отдельно для каждого типа.

Максимальный номинальный входной ток (I

F )

Первый вопрос: какой входной ток (I F ) можно подать на оптопару?

Максимальный номинальный входной ток (I F ) определяется на основе следующего:

  1. Номинальные значения тока и рассеиваемой мощности
  2. Ухудшение характеристик со временем

Самое строгое (наименьшее) из них указано как максимальное значение входного тока.

(i) Определение максимального значения входного тока на основе номинального тока и внутренней мощности рассеиваемой мощности.

Обычно для определения максимального значения входного тока используются как ток, так и внутренняя мощность рассеивания. Например, глядя на график P D и T A ниже, вы можете увидеть, что максимальная мощность рассеивания составляет 75 мВт при максимальной рабочей температуре 75 ° C.

Рисунок 4. Пример допустимого рассеяния мощности светодиода (P D ) в зависимости отТемпература окружающей среды (T A )

В настоящее время, если характеристики светодиода на входе соответствуют показанным на графике ниже, рекомендуемый прямой ток (I F ) для достижения внутреннего рассеивания мощности светодиода 75 мВт при температуре окружающей среды 75 ° C. составляет около 60 мА (при прямом напряжении (V F ) чуть более 1,2 В).

Рисунок 5. Пример зависимости прямого тока светодиода (I F ) от прямого напряжения (В F )

Если номинальный ток больше этого значения, это значение становится максимальным значением входного тока (I F ).

(ii) Определение максимального значения входного тока на основе ухудшения характеристик с течением времени.

Важно отметить, что светоизлучающая способность светодиода на входной стороне оптопары со временем ухудшается, что приводит к уменьшению коэффициента передачи тока (CTR), как показано на графике ниже.

Рисунок 6. Ухудшение CTR с течением времени

Входной ток (I F ) обычно определяется на основе расчетного срока службы, показанного на графике ниже.

Рисунок 7. Пример расчетного срока службы

В этом примере, если оптопара используется в течение 100 000 часов в месте, где максимальная температура составляет 50 ° C, максимальный входной ток (I F ), который может быть приложен, составляет 20 мА. Это значение является самым строгим из вычисленных до сих пор, поэтому оно становится максимальным значением входного тока (I F ).

Теперь мы рассчитаем максимальный номинальный выходной ток, который может быть сгенерирован из этого входного тока для оптопары однотранзисторного типа и оптопары на транзисторах Дарлингтона.

С транзистором Далингтона I C резко возрастает, когда V CE приближается к 1 В, как показано на графике выше. Если вы попытаетесь установить для V CE значение менее 1 В так же, как и для одиночного транзистора, выходной ток может вообще не генерироваться. Поэтому обычно предполагается, что низкое выходное напряжение, полученное при использовании одного транзистора, не может быть получено при использовании транзистора Дарлингтона, поэтому для V CE установлено значение 1,5 В или меньше, 0.На 5В выше, чем при использовании одиночного транзистора. Таким образом, ток коллектора (I C ) 25 мА все еще может генерироваться, даже когда срок службы оптопары подходит к концу.

Поскольку транзисторы Дарлингтона имеют высокое проводящее выходное напряжение по сравнению с одиночными транзисторами, оптопары, в которых используются транзисторы Дарлингтона, лучше подходят для приложений, в которых требуется генерировать больший выходной ток.

Однотранзисторный выход

(i) Максимальный номинальный выходной ток, который может быть создан, когда входной ток (I F ) находится в допустимом диапазоне.

Как вы можете видеть на графике зависимости коэффициента передачи тока (CTR) от прямого тока (I F ) ниже, CTR оптопары обычно быстро растет по мере того, как входной ток (I F ) возрастает от точки выборки, но затем снова падает, поскольку входной ток продолжает расти.

Рисунок 8. Пример коэффициента передачи тока (CTR) в зависимости от прямого тока (I F )

Характеристики оптопары могут варьироваться в пределах диапазона спецификации, поэтому на этом графике нарисована кривая, оценивающая нижний предел значения CTR.Если мы предположим, что CTR составляет 80%, когда входной ток (I F ) равен 5 мА, нижний предел CTR можно оценить, как показано пунктирной линией на этом графике. Глядя на эту строку, можно рассчитать, что если приложен входной ток (I F ) 20 мА (определенный ранее), будет сгенерирован выходной ток 20 мА, потому что CTR, когда входной ток (I F ) ) составляет 20 мА - это 100%. Таким образом, максимально возможный выходной ток составляет 20 мА. Однако обратите внимание, что при использовании оптопары также необходимо учитывать следующий фактор:

(ii) Снижение выходного тока (I C ) по мере ухудшения характеристик со временем

Первое, что необходимо учитывать, это то, что указанное выше значение CTR является начальным значением.Если оптопара используется в течение периода времени, описанного в (ii) Определение максимального значения входного тока на основе ухудшения характеристик с течением времени в «(1) Максимальный номинальный входной ток (I F )» выше, CTR будет в конечном итоге упадет до половины этого значения.

Таким образом, генерируемый выходной ток (I C ) упадет до 10 мА, что составляет половину его начального значения.

(iii) Диапазон выходного тока (I C ), в котором выходное напряжение в открытом состоянии остается ниже определенного значения

Глядя на кривые характеристик CTR на приведенном выше графике, можно увидеть, что эти значения применимы, когда V CE = 5 В; но действительно ли подходит V CE = 5 В?

Это обсуждение оптопар основано на использовании транзистора на выходной стороне в качестве переключателя, поэтому V CE , естественно, должен быть как можно меньше.

Из-за ограничений, таких как характеристики входного уровня логических схем, V CE обычно устанавливается на значение менее 1 В.

Значение генерируемого выходного тока (I C ) определяется на основе соотношения между током коллектора (I C ) и напряжением коллектор-эмиттер (V CE ), как показано на графике ниже.

Рисунок 9. Пример зависимости тока коллектора (I C ) от напряжения коллектор-эмиттер (В CE )

Если вы построите кривую на основе значений I C = 10 мА при V CE = 5 В, рассчитанных в разделе «(ii) Снижение выходного тока (I C ) по мере ухудшения характеристик с течением времени» выше, это будет выглядят как пунктирная линия на графике.

Когда V CE на этой кривой равно 1 В, значение I C составляет около 5 мА. Это максимальный номинальный выходной ток, который может генерироваться в коммутационных приложениях, предполагая, что оптопара будет использоваться до конца своего срока службы. (Это просто пример; фактические значения будут отличаться в зависимости от продукта.)

Если оптопара используется в приложении, в котором генерируемый выходной ток больше указанного, это может вызвать такие проблемы, как отсутствие тока на выходе в начале (выходной сигнал слишком мал) или ухудшение характеристик продукта раньше. чем ожидалось.

Фактически разрешенный выходной ток обычно намного меньше максимального номинального значения.

Выход транзистора Дарлингтона

(i) Максимальный номинальный выходной ток, который может быть создан, когда входной ток (I F ) находится в допустимом диапазоне.

Транзистор Дарлингтона имеет преимущество в виде большого CTR.

Например, если нижний предел CTR при I F = 20 мА не 100%, а 300%, выходной ток (I C ) 60 мА может быть сгенерирован при V CE = 5 В.

(ii) Снижение выходного тока (I C ) по мере ухудшения характеристик со временем.

Учитывая ухудшение характеристик с течением времени так же, как и у однотипного транзистора, I C становится 30 мА при В CE = 5 В.

(iii) Диапазон выходного тока (I C ), в котором выходное напряжение в открытом состоянии остается ниже определенного значения.

Кривая I F = 1 мА на графике ниже, показывающем ток коллектора транзистора Дарлингтона (I C ) в зависимости отНапряжение коллектор-эмиттер (В CE ) приблизительно соответствует значениям I C = 30 мА при В CE = 5 В.

Рис. 10. Пример зависимости тока коллектора Дарлингтона (I C ) от напряжения коллектор-эмиттер (В CE )

Однако с транзистором Дарлингтона I C резко возрастает, когда V CE приближается к 1 В, как показано на графике выше. Если вы попытаетесь установить V CE менее 1 В так же, как с одиночным транзистором, выходной ток может вообще не генерироваться.

Поэтому обычно предполагается, что низкое выходное напряжение, полученное при использовании одного транзистора, не может быть получено при использовании транзистора Дарлингтона, поэтому V CE устанавливается на 1,5 В или меньше, на 0,5 В выше, чем при использовании одного транзистора. .

Таким образом, ток коллектора (I C ) 25 мА все еще может генерироваться, даже когда срок службы оптопары подходит к концу.

Поскольку транзисторы Дарлингтона имеют высокое проводящее выходное напряжение по сравнению с одиночными транзисторами, оптопары, в которых используются транзисторы Дарлингтона, лучше подходят для приложений, в которых требуется генерировать больший выходной ток.

Расчет нагрузки

Когда вы знаете максимальный выходной ток (I C ), который может быть создан, цепь нагрузки может быть спроектирована так, чтобы выходной ток оставался ниже максимального значения.

Давайте посмотрим на допустимый диапазон сопротивления нагрузки (R L ) при использовании одного транзистора с I C = 5 мА при В CE = 1 В в конфигурации схемы, подобной показанной ниже, исходя из результатов, таким образом далеко.

Рисунок 11.Пример общей конфигурации схемы

Предполагая, что ток, текущий в коллектор из цепи на следующем этапе (I N ), равен 1 мА, если напряжение источника питания (V CC ) составляет 5 В, нижний предел сопротивления нагрузки (R L ) можно рассчитать следующим образом:

Уравнение (1)
R L > (V CC -V CE ) / (I C -I N ) = (5V-1V) / (5mA-1mA) = 1kΩ

Если оптопара имеет допуск по высокому напряжению, ее можно использовать с высоким напряжением источника питания.Например, если используется источник питания 50 В (V CC = 50 В), нижний предел сопротивления нагрузки будет 13 кОм.

Как насчет верхнего предела сопротивления нагрузки?

Напряжение, создаваемое нагрузочным резистором (R L ), обычно устанавливается равным одной десятой или менее напряжения источника питания (V CC ), когда оптопара находится в состоянии отключения, а темновой ток коллектора (I CEO ) течет.

Этот темновой ток требует осторожности.

Если посмотреть в таблице данных, максимальное значение темнового тока равно 0.1 мкА, что кажется довольно маленьким.

Однако это значение применяется при температуре окружающей среды 25 ° C. Темновой ток (I Leak ) примерно пропорционален напряжению коллектор-эмиттер (V CE ) и становится в 10 раз выше с каждым повышением температуры на 25 градусов.

Уравнение (2)

Например, максимальное значение темнового тока (I утечка ) составляет 0,1 мкА при T A = 25 ° C и V CE = 50 В, но при условиях T A = 75 ° C и V CE = 5 В, темновой ток уменьшается до одной десятой своего предыдущего значения, потому что напряжение коллектор-эмиттер в 10 раз меньше, но затем становится в сто раз больше из-за повышения температуры, что приводит к 10-кратному увеличению увеличьте до значения 1 мкА.

I утечка = 0,1 мкА x 0,1 x 10 2 = 0,1 мкА x 10 = 1 мкА

Сопротивление нагрузки, необходимое для создания напряжения, составляющего одну десятую значения V CE (то есть 0,5 В или меньше), когда темновой ток составляет 1 мкА, составляет 500 кОм. Исходя из этого, если V CC = 5 В, сопротивление нагрузки должно быть 1 кОм L <500 кОм.

Однако безопасность этого диапазона не может быть гарантирована во всех случаях.

Если сопротивление нагрузки чрезмерно высокое, могут возникнуть следующие проблемы:

  • На уровень выходного сигнала могут влиять колебания нагрузки.
  • Может возникнуть шум от периферийных цепей.
  • Рабочая скорость может упасть.

Следовательно, верхний предел сопротивления нагрузки должен быть в пределах пятикратного значения нижнего предела, что в применении к приведенному выше примеру приводит к верхнему пределу 5 кОм, когда напряжение источника питания (V CC ) составляет 5 В.

Сколько входного тока (I

F ) требуется для создания выходного тока?

Например, если требуется выходной ток (I C ) всего 2 мА, а не 5 мА, сколько входного тока (I F ) требуется для его создания?

Работая в обратном направлении и вычисляя сначала с точки зрения срока службы оптопары, вы можете видеть, что генерируемый начальный выходной ток должен быть в два раза больше возможного значения; то есть 4 мА.

Если вы нарисуете кривую для I C = 4 мА при В CE = 1 В на графике тока коллектора (I C ) от напряжения коллектор-эмиттер (В CE ), показанном в начале, он будет выглядит как пунктирная линия на графике ниже.

Рис. 12. Пример зависимости тока коллектора (I C ) от напряжения коллектор-эмиттер (В CE )

Из этого графика видно, что I C составляет около 10 мА, когда V CE составляет 5 В.

Глядя на пунктирную кривую на графике выше, показывающую коэффициент передачи тока (CTR) в зависимости от прямого тока (I F ), вы можете увидеть, что CTR составляет приблизительно 100%, когда I F = 10 мА, поэтому, если При подаче входного тока 10 мА может быть сгенерирован вышеуказанный выходной ток, который является начальным значением 4 мА при V CE = 1 В и значением в конце срока службы 2 мА при V CE = 1 В.

Обратите внимание, однако, что входной ток здесь оценивается с учетом наихудшего сценария вариаций CTR и деградации с течением времени, поэтому, если используется оптопара с большим начальным CTR, и особенно в ранний период использования, входной ток может быть значительно больше требуемого значения.

В этом случае рабочая скорость имеет тенденцию быть ниже, чем скорость, которую можно было ожидать в соответствии со спецификациями.

Поэтому важно тщательно проверить и выбрать оптопару, которая позволяет достичь желаемой скорости работы.

Также может оказаться эффективным ограничить диапазон вариаций, указав определенный рейтинг CTR.

Работа с оптопарой в активной области в аналоговых приложениях

В аналоговых приложениях оптопары обычно используются в контурах управления с обратной связью импульсных регуляторов, в которых первичный и вторичный домены изолированы.

Оптопары

используются, как показано на рисунке ниже, для решения проблемы обратной связи постоянного тока при изоляции первичного и вторичного доменов.

Рис. 13. Пример использования оптопары в импульсном регуляторе

При использовании оптопары в импульсном стабилизаторе вход оптопары является выходом источника питания и наоборот.

Усилитель ошибки, который используется для сравнения выходного напряжения источника питания с опорным напряжением (то есть определения разности потенциалов), находится во вторичной цепи источника питания (на стороне выхода).Количество света, которое попадает на светодиод оптопары, различается в зависимости от этой разности потенциалов.

Коллекторный ток оптопары также различается в зависимости от количества света, излучаемого светодиодом.

Эти факторы вызывают изменение напряжения коллектор-эмиттер фототранзистора (V CE ), что приводит к увеличению или уменьшению входного тока блока питания и, как следствие, увеличению или уменьшению выходного напряжения блока питания.

В это время, как и при использовании оптопары в качестве переключающего устройства, нагрузочный резистор фототранзистора может быть подключен либо к коллектору, либо к эмиттеру (либо это нормально с точки зрения работы оптопары). Подключение нагрузочного резистора в этом случае определяется в соответствии с общей схемой конфигурации.

Однако, в отличие от операции переключения, когда оптопара используется в аналоговой схеме, схема сконфигурирована так, что фототранзистор работает в области V CE > 1 В (активная область).

Рис. 14. Диапазон использования оптопары при использовании в контуре управления обратной связью импульсного регулятора

Кроме того, поскольку оптопары имеют тенденцию иметь очень большие вариации CTR, усиление управления входным током усилителя ошибки и источника питания должно быть установлено на очень большие значения, чтобы справиться с этими вариациями CTR.

Это то же самое, что и использование схем усилителя в усилителях звука или операционных усилителях, которые имеют коэффициент усиления в 100–1000 раз выше, чем коэффициент усиления, который фактически требуется.Эти высокие коэффициенты усиления затем снижаются с помощью схемы обратной связи, чтобы уменьшить вариацию и искажения сигнала.

Однако одна проблема с использованием такого типа контроллера с обратной связью с высоким коэффициентом усиления заключается в том, что он может вызвать паразитный резонанс и другие типы нестабильности работы, требующие установки регулятора фазы для обеспечения достаточного запаса по фазе и стабилизации работы схемы.

Деятельность: Оптопары. [Analog Devices Wiki]

Цель:

В этом упражнении вы построите оптопару из инфракрасного светодиода и фототранзистора NPN.Вы исследуете работу аналогового развязывающего усилителя на основе оптопары и источника плавающего тока с использованием встроенных оптронов.

Оптрон на транзисторе NPN

Фон:

Оптопара или оптический изолятор - это электронное устройство, предназначенное для передачи электрических сигналов светом через гальванический изолирующий барьер между его входом и выходом. Основное назначение оптопары - предотвратить высокое напряжение или скачки напряжения на одной стороне барьера, которые могут повредить компоненты или помешать передаче сигналов на другую сторону.Имеющиеся в продаже оптопары могут выдерживать входные и выходные напряжения от 3 кВ до 10 кВ и переходные процессы напряжения со скоростью до 10 кВ / мкс. Устройство обычно состоит из инфракрасного светодиода с одной стороны в качестве входа и фотодетектора, такого как фотодиод или фототранзистор, с другой, с гальваническим изолирующим барьером между ними, как показано на рисунке 1. Когда светодиод выключен, это не излучает свет, нет фототока в базе транзистора и он выключен.Когда через светодиод протекает ток, излучающий свет, и в базу транзистора поступает достаточный фототок, он включается.

Более подробные сведения об оптопарах см. На странице http://en.wikipedia.org/wiki/Opto-isolator.

Рис.1 Оптопара на транзисторе NPN

Указания по строительству:

Первым шагом в этом упражнении является создание собственной оптопары с использованием инфракрасного светодиода и фототранзистора NPN, входящего в комплект аналоговых деталей ADALP2000.Если вы не используете комплект деталей для этих лабораторных работ, можно заменить аналогичные устройства, но ваши результаты могут отличаться в зависимости от используемых компонентов.

QSD123 Инфракрасный транзистор

Сначала согните выводы светодиода и фототранзистора на 90 градусов, чтобы при вставке в беспаечный макет они были обращены друг к другу и находились на одном уровне. Кроме того, держите их правильно выровненными, и чтобы не допустить попадания постороннего света, лучше всего использовать короткую трубку или черную изоленту, обрезанную до подходящей ширины, чтобы обернуть комбинированный светодиод и фототранзистор, как показано ниже.

Материалы:

Модуль активного обучения ADALM2000
Макетная плата без пайки
Перемычки
2 - резисторы 2,2 кОм
1 - одиночный операционный усилитель, такой как OP27

Направление:

На макетной плате без пайки постройте схему, показанную на рисунке 2. Обратите внимание, что фототранзистор NPN сконфигурирован как приемник тока с эмиттером, подключенным к земле. Обратите внимание, что более длинный из двух выводов фототранзистора является коллектором.Обратите внимание, что более короткий из двух выводов светодиода подключен к земле. Дважды проверьте спецификации компонентов, чтобы убедиться, что вы выполнили правильные подключения.

Рисунок 2 Характеристики входа-выхода оптопары

Настройка оборудования:

Сконфигурируйте генератор сигналов для треугольной волны 100 Гц с размахом амплитуды 3 В и смещением 2,5 В. Оба канала осциллографа должны быть установлены на 1 В / дел.

Рисунок 3 Соединения макетной платы оптопары

Процедура:

Осциллографический канал 1 измеряет напряжение на резисторе R 1 .и, следовательно, входной ток светодиода. Канал осциллографа 2 измеряет напряжение на резисторе R 2 и, следовательно, ток коллектора на выходе NPN-транзистора. Коэффициент передачи по току или CTR - это просто отношение этих величин к токам. CTR - это показатель усиления, эффективности или чувствительности устройства.

Рис.4 Осциллограммы осциллографа оптопары

Вопросы:

Каков текущий коэффициент передачи устройства, которое вы сконструировали и протестировали? Постоянно ли оно в диапазоне входных токов?

Направление:

Теперь переместите вход 1 канала осциллографа 1 на землю и переместите вход 2+ канала 2 осциллографа на коллектор фототранзистора, а вход осциллографа 2 на землю.

Настройка оборудования:

Сконфигурируйте генератор сигналов для прямоугольной волны 5 кГц с размахом амплитуды 5 В и смещением 2,5 В. Оба канала осциллографа должны быть установлены на 1 В / дел.

Процедура:

Канал осциллографа 1 теперь измеряет входной сигнал, а канал осциллографа 2 измеряет выходной сигнал. Скорость оптрона может быть охарактеризована задержкой между сигналами на входе и выходе. Другой мерой скорости устройства является время нарастания и спада выходного сигнала.Другой метод проверки частотной характеристики оптопары - использование прибора Network Analyzer в программном обеспечении Scopy. Установите частотную развертку от 10 Гц до 100 кГц. Установите амплитуду AWG на 2 В от пика до пика и смещение AWG на 3 В или любое другое смещение по постоянному току, центрирующее выходной сигнал для вашей схемы ответвителя.

Вопросы:

Какая задержка между входом и выходом тестируемого вами устройства?
То же самое для нарастающих и спадающих фронтов?
Каково время нарастания и спада выходного сигнала?
Какова полоса пропускания -3 дБ у ответвителя?

Настройка оборудования:

Теперь настройте генератор сигналов для синусоидальной волны 1 кГц с 1.Размах амплитуды 2 В и смещение 2,2 В. Оба канала осциллографа должны быть установлены на 1 В / дел. Возможно, потребуется немного отрегулировать смещение, чтобы выходной сигнал был относительно центрирован в диапазоне от 0 до 5 В. Вы хотите убедиться, что пики синусоидальной волны не слишком близки ни к 0 В, ни к 5 В.

Процедура:

В этой простой схеме преобразование входного напряжения в ток светодиода является нелинейным, поскольку характеристика зависимости тока от напряжения светодиода является экспоненциальной, как у обычного диода.В фототранзисторе есть дополнительные нелинейности при преобразовании света светодиода в ток коллектора. Лучший способ измерить эти нелинейности - это измерить гармонические искажения, наблюдаемые в выходном сигнале, когда вход управляется относительно чистой синусоидальной волной.

Откройте отображение частоты в окне осциллографа. Отрегулируйте развертку так, чтобы отображались основная гармоника и первые 5 или 6 гармоник. Запишите и сохраните величины основной гармоники и, по крайней мере, до гармоники 4 для использования в будущем.

Управление светодиодами с преобразователем напряжения в ток

Поместив светодиод в цепь обратной связи операционного усилителя, сконфигурированного как преобразователь напряжения в ток, мы можем значительно уменьшить влияние нелинейности светодиода.

Направление:

На вашей беспаечной макетной плате измените внешний вид схемы, показанной на рисунке 3. Обратите внимание, что фототранзистор NPN теперь настроен как источник тока с его коллектором, подключенным к положительному источнику питания 5 В, Vp.Это было сделано, чтобы показать, что действительно не имеет значения, как настроены напряжения на выводах транзисторов.

Рисунок 5 Светодиодный привод V от до I

Настройка оборудования:

Сконфигурируйте генератор сигналов для треугольной волны 100 Гц с размахом амплитуды 3 В и смещением 2,5 В. Оба канала осциллографа должны быть установлены на 1 В / дел.

Рисунок 6 V to I LED drive Подключение макетной платы

Процедура:

Повторите те же измерения, что и на простой версии для дайвера с резистором в этой схеме.Переключите форму волны AWG на прямоугольную и повторно измерьте время задержки, нарастания и спада для включения в лабораторный отчет. Переключите AWG на синусоидальную волну (та же частота 1 кГц, что и раньше) и снова измерьте гармонические искажения. Не забудьте отрегулировать амплитуду и смещение AWG, чтобы получить форму выходного сигнала, аналогичную той, которая была у вас в предыдущей схеме.

Рис.7. Привод светодиодов V от до I. Скопировать осциллограммы.

Вопросы:

Что произойдет, если входной сигнал W1 от генератора сигналов станет отрицательным (ниже уровня земли)?
Сравните ваши измерения искажений для этой схемы с измерениями для предыдущей схемы.Насколько улучшились гармоники?

Аналоговый развязывающий усилитель.

Чтобы сделать усилитель более линейным, можно использовать два согласующих оптрона. Лучше всего использовать для этой схемы интегральные версии.

Предыдущая конфигурация V to I уменьшила нелинейность светодиода. Если мы также включим фототранзистор в контур обратной связи, мы также сможем уменьшить нелинейный эффект характеристики преобразования света в ток фототранзистора.

Материалы:

2 - Оптопары NPN см. Приложение ниже для конкретных опций устройства
1 - Конденсатор 0,0047 мкФ (472)
1 - Резистор 470 Ом

Направление:

Постройте схему, показанную на рисунке 4, на беспаечной макетной плате. Точная разводка оптопар может отличаться в зависимости от того, какой тип вы используете (4-контактный корпус или 6-контактный корпус и т. Д.). Показанные номера выводов обычно являются стандартными для корпусов с 4 выводами. Обязательно ознакомьтесь с таблицей данных производителя, чтобы узнать, как правильно подключить ваше конкретное устройство.

Рисунок 8 Вход униполярного напряжения

Настройка оборудования:

Начните с установки генератора сигналов для треугольной волны 100 Гц с размахом амплитуды 4,8 В и смещением 2,5 В, как вы делали для предыдущих двух конфигураций. Оба канала осциллографа должны быть установлены на 1 В / дел.

Процедура:

Повторите те же измерения, что и на предыдущих двух версиях схемы. Переключите форму волны AWG на прямоугольную и повторно измерьте время задержки, нарастания и спада для включения в лабораторный отчет.Переключите AWG на синусоидальную волну (та же частота 1 кГц, что и раньше) и снова измерьте гармонические искажения. Не забудьте отрегулировать амплитуду и смещение AWG, чтобы получить форму выходного сигнала, аналогичную той, которая была у вас в предыдущих схемах.

Вопросы:

Имеет ли значение, в каком порядке подключены светодиоды D 1 и D 2 ?
Имеет ли значение, какой фототранзистор Q 1 или Q 2 используется для тракта обратной связи?
Для чего служит C 1 , и что произойдет, если его убрать и почему?
Сравните ваши измерения искажений для этой схемы с измерениями для двух предыдущих схем.Насколько улучшились гармоники?

Рисунок 9 Биполярный вход напряжения

Вернуться к лабораторной деятельности Содержание:

Для дальнейшего чтения

Приложение:

Встроенные оптопары.

Некоторые модели представлены в корпусах с 6 выводами и имеют подключение к клемме базы фототранзистора. Остальные находятся в 4-контактных корпусах и не имеют базовых соединений.

4-контактный оптопара на фототранзисторах серии FOD817 от Fairchild Semi.
Lite-On, оптопара DC-IN 1-канальный транзистор DC-OUT, 4-контактный PDIP (деталь Avnet: LTV-817)
4N25, 6-контактный DIP-корпус с клеммой Base (номер детали Jameco 40985)
4N26, 6 DIP-корпус выводов с базовым выводом (номер детали Jameco 41005)
4N28, 6-контактный DIP-корпус с базовым выводом (номер Jameco № 41013)
4N35, 6-выводный DIP-корпус с базовым выводом (№ детали Jameco 41056)
MCT6, Двойной фототранзисторный оптрон MCT61, MCT62 от Fairchild Semi.

Вернуться в лабораторную работу: содержание

Выбор оптопары и использование для изоляции широтно-импульсной модуляции

Оптопара (или оптоизолятор) - это устройство, которое гальванически разделяет цепи и не только отлично развязывает, но и позволяет подключаться к цепям с разными плоскостями заземления или работающим при разном напряжении. уровни.Оптопары являются «отказоустойчивыми» в том смысле, что при воздействии на них напряжений, превышающих максимально допустимые, они, как известно, разрываются как разомкнутые цепи. Оптопара обеспечивает эту изоляцию, принимая сигналы, которые он принимает на свой вход, и передавая сигналы с помощью света на свой выход. Оптопара преобразует сигнал на своем входе в инфракрасный световой луч с помощью инфракрасного светоизлучающего диода (LED). Инфракрасный луч проходит через щель внутри корпуса оптопары и попадает в светочувствительное устройство (например,g., фотодиод, фототранзистор и т. д.), который снова преобразует свет в сигнал и отправляет его из оптопары в качестве выходного сигнала. Оптопара имеет воздушный зазор или изолирующее стекло внутри для пересечения луча, поэтому электрическое соединение между входной и выходной сторонами оптопары отсутствует. Обычно используется оптопара ON Semiconductor 4N25 (ранее Fairchild), как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. ON Semi 4N25 - хороший базовый пример, но официально он устарел. Тем не менее, существует множество вариантов оригинального номера детали.(Источник: техническое описание ON Semiconductor) Оптопары

обеспечивают полную гальваническую развязку между цепями на входных и выходных клеммах оптопары. Выход оптопары отражает входной сигнал, и подключение оптопары похоже на работу светодиода, для чего может потребоваться использование токоограничивающего резистора (см. Техническое описание оптопары). Хотя оптопары ограничены частотой, на которой они могут работать (которая в основном зависит от типа фоторецептора внутри), оптопары обеспечивают защиту от перенапряжения, переходных процессов высокого напряжения и могут использоваться для устранения шума за пределами рабочего диапазона оптопары.Кажется, что оптопары лучше всего использовать в цифровой среде, однако можно использовать оптопары для изоляции сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Однако скорость оптрона является ключевым моментом; минимальная ширина импульса ШИМ должна быть больше, чем скорость переключения оптопары. Но как вы извлекаете эту информацию из таблицы данных оптопары?

Проще говоря, частота ШИМ (F PWM ) (Гц) связана с максимальным числом шагов, которое должна достигать оптопара.Возможно, лучше всего сначала провести некоторые расчеты, чтобы поэкспериментировать с возможностями на бумаге, что более эффективно, чем угадывать и покупать оптопары, чтобы увидеть, работают ли они.

Быстрый расчет может быть выполнен, если вы знаете частоту ШИМ (F PWM ), а также время нарастания (t R ) и время спада (t F ) оптопары: F PWM = 2 / n (t R + t F ), где n - количество дискретных шагов, которые может выдержать оптрон.Решите относительно n:

n = 2 / [F PWM (t R + t F )]

, и у вас есть количество шагов, которое оптопара должна поддерживать, на основе заданного времени нарастания и спада в таблице данных оптопары.

Пример 1: 4N25

Списки 4N25 включаются и выключаются только при 2 мкс и 10 мкс (макс.). Решая для n, вы обнаруживаете, что при частоте ШИМ 2 кГц оптопара 4N25 может видеть максимум 83 шага. Если вы не захотите снизить частоту вашего ШИМ до гораздо более низкой частоты, количество шагов, которые сможет разрешить оптопара 4N25, будет недостаточным.Однако 4-битный ШИМ дает 16 шагов (2 4 = 16), и поскольку 4N25 может достигать до 83 шагов, эти параметры могут работать вместе. Но если вы хотите работать с более высокой частотой или разрешением, лучше подойдет высокоскоростной оптрон.

Пример 2: FOD8012A

Давайте посмотрим на более дорогостоящую оптопару, такую ​​как ON Semi FOD8012A, у которой t R и t F вместе 13 нс, с тем же ШИМ 2 кГц. Решение для n дает нам 7 692 шага.Следовательно, эта оптопара может разрешить 7 692 шага от ШИМ, работающего на частоте 2 кГц. Если у вас есть 10-битный ШИМ, который имеет 1024 шага (2 10 = 1024), эта высокоскоростная оптопара будет излишней, поскольку оптопара может обрабатывать более 7000 шагов на этой частоте ШИМ 2 кГц. Дело в том, что следующим шагом является поиск более дешевой оптопары и повторный расчет, пока вы не найдете оптопару с наименьшей стоимостью, но все еще значительно превышающую ваше разрешение ШИМ на вашей конкретной частоте. (Мне всегда казалось, что «цена» - это «спецификация», но производители не любят так думать.В качестве альтернативы вы можете увидеть, что если вы увеличите частоту ШИМ до 20 кГц, вы получите 769 шагов от Fairchild FOD8012A. После нескольких итераций вычислений вы начинаете понимать, что может сработать.

Имейте в виду, что оптопары сильно различаются во многих отношениях, в том числе по характеристикам устройств от производителя к производителю. Выше показан эскиз того, как сузить выбор перед тестированием оптопары в вашей схеме.

Приложения

Оптопары

используются в регуляторах питания, в качестве защиты входов микропроцессоров и других чувствительных устройств, а также во многих других приложениях.Оптопары также интегрируются в другие устройства, такие как переключатели и реле (и продаются как изолированные переключатели и изолированные реле) для использования в измерениях, контрольно-измерительных приборах, промышленном управлении и испытательном оборудовании.

Рис. 2. Vishay VOR2142 - это твердотельное реле с оптической развязкой и пиковым напряжением нагрузки 400 В. Корпус оптопары выглядит как типичная интегрированная микросхема (слева). (Источник: vishay.com.)

Оптопара PC817 - ProtoSupplies

Описание

Оптопара PC817 используется для обеспечения гальванической развязки сигнала между 2 цепями с помощью оптического моста.

В ПАКЕТ ВХОДИТ:

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Оптопары PC817:
  • Малый 4-контактный DIP корпус
  • Высокая гальваническая развязка 5 кВ между входом / выходом
  • Высокое выходное напряжение до 80 В
  • Выходной ток до 50 мА

Оптопары, также называемые оптопарами или оптоизоляторами, состоят из комбинации инфракрасного светодиода и фототранзистора в едином корпусе, который используется для оптической передачи электрического сигнала через устройство без использования электрического соединения.Устройство является однонаправленным и может передавать сигнал только в одном направлении.

Оптопары

используются для обеспечения гальванической развязки между двумя точками в цепи. Чаще всего они используются в цифровой схеме для обеспечения гальванической развязки между микроконтроллером и выходной цепью с высокой энергией, такой как двигатель, или для обеспечения дополнительного уровня защиты при использовании чего-то вроде реле для управления устройством с высокой энергией. Они работают, блокируя любые электрические всплески, которые в противном случае могли бы вернуться обратно по линии к UC.

Вставка одного из них в линию с выводом uC поможет защитить этот вывод, но для того, чтобы полностью изолировать две части схемы, также требуется, чтобы на двух сторонах схемы использовались отдельные системы питания, чтобы нет электрических обратных путей через энергосистему. Это, как правило, перебор для большинства любительских приложений, но следует учитывать, когда желательна полная изоляция.

Внутри устройства есть ИК-светодиод с одной стороны и фототранзистор с другой стороны.Включение светодиода приводит к тому, что база фототранзистора также приводится в действие, что приводит к включению фототранзистора.

Токоограничивающие резисторы

При подключении устройства требуются два резистора для ограничения тока с двух сторон устройства, чтобы предотвратить повреждение.

Первый - это токоограничивающий резистор на стороне входа ИК-светодиода устройства. Абсолютный максимальный ток через этот светодиод составляет 50 мА, но на практике ток не должен превышать 20 мА для безопасного использования с микроконтроллером.Резистор номиналом 470 Ом, который дает ток 10 мА, будет работать для большинства приложений в качестве отправной точки. Можно использовать резистор большего размера, если требуется меньший ток или если напряжение возбуждения ИК-светодиода превышает 5 В.

Второй резистор аналогично используется для ограничения тока, протекающего через фототранзистор. Максимальный ток снова составляет 50 мА, но обычно он работает при более низком токе. В зависимости от того, с чем используется оптопара, обычно используется либо подтягивающий резистор, который подключается между коллектором оптопары и источником питания (Vcc), который используется на выходной стороне схемы, либо последовательным резистором. используется, который подключается между эмиттером и базой транзистора, если транзистор используется на выходе.Резистор 470 Ом обычно может использоваться в качестве отправной точки для этого резистора.

РЕЗУЛЬТАТЫ НАШИ ОЦЕНКИ:

Эти устройства могут быть очень полезны для добавления уровня защиты, когда микрокомпьютеру необходимо взаимодействовать со схемами опасного типа или когда задействованы длинные кабели, которые могут вызывать электрические всплески.

Схема ниже бесполезна, но она демонстрирует базовую работу устройства. Логический ВЫСОКИЙ уровень на входе должен загореться светодиодом на выходе.

Примечания:

  1. Нет

Технические характеристики

Максимальные характеристики
I F Максимальный прямой ток (вход) 50 мА
I F Коллектор Максимальный прямой ток (выход) 50 мА
V F Коллектор-эмиттер 80 В
Тип корпуса Корпус пластиковый, ДИП-4
Производитель Китай
Лист данных Типичный PC817

Оптопары Безопасно изолируют интегрированные силовые модули

Оптопары обеспечивают высоковольтную изоляцию между низковольтным устройством, таким как микроконтроллер или генератор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), и высоковольтным устройством, таким как интеллектуальный или интегрированный силовой модуль (IPM).Оптопара является ключевым устройством интерфейса, поскольку каждая высоковольтная цепь должна соответствовать стандартам безопасности оборудования, таким как IEC 60950 для ИТ-оборудования и IEC 60335 для бытовой техники. При тестировании на соответствие этим стандартам высокое напряжение обычно подается между низковольтным и высоковольтным портами оборудования. В этих системах оптопара изолирует интерфейс низкого и высокого напряжения, чтобы соответствовать стандартам безопасности и защиты.

Некоторые общие стандарты электробезопасности полупроводниковых компонентов, применимые к оптопарам, - это IEC 60747-5-2 и UL 1577.Разработчик может выбрать подходящие оптопары на основе соответствующих стандартов безопасности оборудования. В таблице приведены характеристики некоторых оптопар, предназначенных для высоковольтной развязки. Ключевыми параметрами оптопары, относящимися к рейтингам безопасности оборудования, являются рабочее напряжение, степень загрязнения, класс установки и уровень изоляции.

Различные стандарты безопасности для промышленного, домашнего, офисного и ИТ-оборудования требуют усиленного уровня изоляции для электрического оборудования, питаемого от сети переменного тока.Некоторые параметры, указанные в стандартах безопасности оборудования, включают внешний зазор, путь утечки, расстояние через изоляцию (DTI) или внутренний зазор, а также сравнительный индекс отслеживания (CTI).

На рис. 1 показана схема цепи привода двигателя между микроконтроллерным блоком (MCU) и IPM. Семь блоков цифровой оптопары ACPL-W456 изолируют семь входов драйвера затвора IPM, один для тормоза и шесть для IGBT. Используя выборку напряжения от двух шунтирующих резисторов, два изолированных усилителя HCPL-7840 обеспечивают линейную обратную связь от двух фаз двигателя к MCU.Четыре оптопары на фототранзисторах общего назначения HCPL-817 изолируют сигналы обратной связи о неисправности IPM. Все эти оптопары соответствуют повышенным уровням защиты, поскольку они обеспечивают гальваническую развязку между цепями низкого и высокого напряжения.

Трехфазный IPM использует шесть драйверов затвора каждый для шести IGBT на верхней и нижней стороне. Каждому драйверу затвора требуется источник питания от 10 до 30 В. Эмиттеры IGBT нижнего плеча подключаются к шине постоянного тока HV- в качестве общего опорного заземления, что позволяет всем драйверам затвора нижнего плеча использовать один и тот же источник питания (V CC_L - GND1).Также интегрированы функции защиты от перегрева и перегрузки по току, которые отправляют сигнал неисправности на главный микроконтроллер.

Эмиттер IGBT на верхней стороне и коллектор IGBT на нижней стороне соединяются, образуя одну ветвь трехфазного переключателя. Посредством попеременного включения и выключения IGBT на стороне высокого и низкого напряжения напряжение шины постоянного тока высокого напряжения переключает выход на соответствующую фазу нагрузки U, V или W. Трехфазные векторы разнесены на 120 градусов. Когда земля подключается к коллектору IGBT нижнего плеча, земля каждой схемы драйвера затвора верхнего плеча колеблется между HV- и HV +.Таким образом, заземление каждого источника питания для схемы драйвера затвора IGBT верхнего плеча должно быть плавающим и быть отделенным друг от друга.

Более надежным решением является наличие трех изолированных источников питания для каждой схемы драйвера затвора верхнего плеча. Самозагрузка источника питания с отдельными плавающими заземлениями является экономически эффективной альтернативой. Вы можете получить самонастраивающийся источник питания либо от напряжения шины постоянного тока, либо от источника питания низкого напряжения V CC_L . Обычная входная логика IPM и схемы управления затвором интегрированы в монолитную ИС, а их питание находится в диапазоне от 15 В до 20 В.

Это обычное IPM имеет инвертированную логику. Когда входное напряжение высокое, IGBT отключается; при низком входном напряжении включается IGBT. Оптопара ACPL-W456 имеет транзисторный выход с открытым коллектором. Перед включением входной стороны и микроконтроллера выходной логический уровень ACPL-W456 имеет высокий уровень и отключает все IGBT. Как правило, оба источника питания с плавающей точкой верхнего плеча (V CC_UH , V CC_VH , V CC_WH ) и источник питания нижнего плеча (V CC_L ) имеют напряжение 15 В.Вход драйвера IPM может работать с логическими уровнями 15 В.

Высоковольтный выход ACPL-W456 можно рассчитать по формуле:

V OH = V CC - I OH × R L ,

, где V CC равно напряжению источника питания, I OH равно высокому выходному току утечки транзистора, V OH соответствует высоковольтному выходу, а R L соответствует подтягивающему резистору выходного транзистора.

Выберите умеренное значение подтягивающего резистора, чтобы сохранить достаточное напряжение V OH и включить или выключить IGBT без ошибок логики ШИМ.Например, при максимальном токе утечки 50 мкА используйте подтягивающий резистор 20 кОм для источника питания 15 В или резистор 3 кОм для источника питания 5 В. Используйте минимальное напряжение V CC , если оно колеблется.

Сопряжение схем HVIC

Разработка IPM все больше продвигается в сторону интеграции высоковольтных интегральных схем (HVIC) в схемы управления затвором. Технология HVIC позволяет низковольтной цепи управлять высоковольтными силовыми устройствами посредством изменения уровня.

Рис.2 показана плавающая выходная схема драйвера затвора верхнего плеча, используемая с IGBT, которые получают питание от отдельных источников питания самонастройки (V B ). От низкого до высокого уровня все входные цепи драйвера затвора подключаются к источнику питания V CC , а входная логика совместима с напряжением от 5 до 20 В постоянного тока. Здесь по-прежнему требуются оптопары для интерфейса между MCU и IPM. Основная функция - электрическая безопасная изоляция цепей низкого и высокого напряжения.

Оптопары

протестированы и сертифицированы в соответствии с мировыми правилами электробезопасности с использованием интерфейса между входными и выходными контактами.Электробезопасность HVIC или IPM проверяется от литейного основания до цепи, а не от порта низкого напряжения до порта высокого напряжения. Если высокое напряжение пробивает диэлектрический слой или переходы HVIC со смещением уровня, происходит короткое замыкание от выходной стороны к входной.

Помимо гальванической развязки между MCU и IPM, оптопары предотвращают влияние переходных шумов на цепи управления низковольтной стороны во время переключения IGBT. Потенциал напряжения в точке U эмиттера IGBT верхнего плеча на рис.2 колебания между шиной постоянного тока HV- и HV +, которые обычно составляют от нескольких сотен до тысяч вольт. Источник питания драйвера затвора HVIC (V S ) имеет ту же электрическую точку, что и U, а также качается на высоковольтной шине. Расчеты, основанные на шине 800 В постоянного тока с IGBT V CE , время нарастания / спада при 0,1 мкс, будут генерировать переходное напряжение:

dV / dt = 800 В / 0,1 мкс = 8 кВ / мкс.

Если нет гальванической развязки, этот кратковременный всплеск может пройти через драйвер затвора в контроллер MCU и нарушить сигналы переключения ШИМ или повредить микроконтроллер или IGBT.

Быстрые электрические переходные процессы (EFT) представляют собой еще один тип переходных шумов в моторном приводе. Одна процедура тестирования EFT определена в МЭК 60801-4 или МЭК 61000-4-4, где импульс высокого напряжения подается на привод двигателя через зажим емкостной связи. Амплитуда напряжения может составлять до 2 кВ при подключении к сигнальным линиям или до 4 кВ при подключении к силовым кабелям. Номинальное значение dV / dt для EFT составляет до сотен киловольт в микросекунду, поскольку время нарастания / спада импульса может составлять всего 5 нс.

EFT dV / dt также может создавать высокий переходный шум в сигнальных линиях или линиях электропередач. Если низковольтные сигнальные и высоковольтные силовые цепи не изолированы, переходные процессы мешают друг другу и, вероятно, приводят к отказу моторного привода при тестировании EFT.

CMR - это параметр, который измеряет возможность подавления синфазных переходных процессов оптопары. Характеристики CMR проверяются с использованием синфазного напряжения (V CM ) между землей входной и выходной цепи и в течение заданного времени нарастания / спада VCM (Δt).Если выходное напряжение не нарушается этим переходным напряжением, тогда CMR = V CM / Δt.

Рейтинг CMR всегда связан с амплитудой разности напряжений V CM . Когда V CM увеличивается, CMR может резко упасть. Оптопара ACPL-P480 имеет указанный минимальный CMR 20 кВ / мкс при напряжении V CM 1000 В.

Выходной каскад ACPL-P480 представляет собой пару транзисторов с тотемными полюсами, для которой не требуется подтягивающий резистор. Его выходной импеданс на высоких уровнях очень низок между V CC и V OUT , что сопоставимо с выходом транзистора с открытым коллектором, полное сопротивление которого между V CC и V OUT ограничено его подтягивающим резистором. .Тотемно-полюсный выход демонстрирует хороший запас по сопротивлению при взаимодействии с IPM, если входной импеданс IPM не очень высок. Положительная логика ACPL-4800 соответствует положительной логике IPM, когда источник питания на стороне управления еще не включен, поэтому IGBT остаются выключенными.

ШИМ работает с постоянной частотой и переменной шириной импульса. Частота коммутации промышленных IPM выбирается от 5 кГц до 20 кГц. Чтобы определить требования, которые гарантируют эту импульсную передачу без логики ошибок, преобразуйте сигнал переключения 20 кГц в период цикла 50 мкс.Если рабочий цикл ШИМ изменяется от 1% до 99%, самый узкий импульс, высокий или низкий, составляет 1% от периода цикла, то есть:

t MIN = (1/20 кГц) × 1% = 500 нс.

Основное правило передачи этого кратчайшего импульса состоит в том, что максимальное время задержки распространения оптопары должно быть меньше t MIN при рабочей температуре. Обычно используются оптопары на 2 Мбод, такие как вышеупомянутый ACPL-W456.

Контроль мертвого времени

Оптопары

представляют разницу во времени задержки распространения от канала к каналу, поэтому любое перекрытие в IGBT на верхней и нижней стороне приведет к большим токам, протекающим через силовые устройства.Чтобы предотвратить короткое замыкание полумостовых IGBT, MCU должен обеспечивать контроль мертвого времени. Мертвое время - это период, в течение которого ШИМ-сигнал микроконтроллера дает команду на отключение IGBT на стороне высокого и низкого уровня.

Минимизация мертвого времени в сигналах ШИМ позволяет двигателю работать более эффективно, поэтому разработчик должен учитывать характеристики задержки распространения оптопары, а также схемы драйвера затвора IPM IGBT. Учитывая только характеристики задержки оптопары (характеристики схемы драйвера затвора IPM IGBT могут быть проанализированы таким же образом), важно знать минимальные и максимальные характеристики задержки распространения при включении и выключении t PLH / t PHL (для ACPL-P480, показанной на рис.2), предпочтительно в требуемом диапазоне рабочих температур.

Предельный случай нулевого мертвого времени возникает, когда вход высокого IGBT отключается, в то же время, когда включается вход низкого IGBT. Этот случай определяет минимальную задержку между выключением светодиода оптопары верхнего плеча и включением светодиода оптопары нижнего плеча, которая связана с наихудшим случаем разницы задержки распространения оптопары (PDD). На рис.2 и ACPL-P480, и IPM имеют положительную логику, поэтому минимальное время нечувствительности, равное нулю, возникает, когда сигнал на включение светодиода нижнего канала задерживается на (t PHL_MAX - t PLH_MIN ) от выключение светодиода на стороне высокого давления, где задержки распространения, используемые для расчета PDD, взяты при одинаковых температурах.

Как правило, эти оптопары расположены в непосредственной близости друг от друга, поэтому они не совпадают с t PHL_MAX и t PLH_MIN , указанными в техническом паспорте, во всем диапазоне рабочих температур. Эта задержка, t PHL_MAX - t PLH_MIN , является максимальным значением для спецификации PDD PDD MAX , которое указано на 250 нс для ACPL-P480 в диапазоне рабочих температур от -40 ° C до 100 °. С.

Задержка сигнала светодиода оптопары с помощью PDD MAX гарантирует, что минимальное мертвое время равно нулю, но не сообщает разработчику, каким будет максимальное мертвое время.Максимальное время простоя возникает в крайне маловероятном случае, когда верхний ACPL-P480 с самым быстрым t PHL и нижний с самым медленным t PLH находятся в одной ветви инвертора. Максимальное мертвое время в этом случае становится суммой разброса задержек распространения t PHL и t PLH . Максимальное мертвое время также эквивалентно разнице между максимальными и минимальными характеристиками PDD:

Мертвое время MAX = PDD MAX - PDD MIN .

Максимальное мертвое время (из-за оптронов) для ACPL-P480 составляет 350 нс (= 250 нс - (-100 нс)) в диапазоне рабочих температур от -40 ° C до 100 ° C.

Что такое оптопара?

Оптопара принимает электрический вход, который вызывает генерацию светового луча, направленного на фотодетектор, который преобразует свет в электрический выходной сигнал. Источник света и фотодетектор физически разделены, поэтому свет может проходить через барьер, а постоянный ток - нет.Таким образом, вход переменного тока в оптопару создает электрически изолированный выход переменного тока без входной составляющей постоянного тока. Во многих приложениях разница между входом и выходом оптопары может составлять сотни вольт постоянного тока, в то время как вход и выход переменного тока аналогичны.

Оптопары

доступны с различными типами выходных каскадов. Младшие устройства содержат простой фототранзисторный выход, который подходит для передачи сигнала. В других версиях используется фотоэлектрический МОП-транзистор, который позволяет оптрону работать в качестве твердотельного реле.Между тем, фотооптопары IC-типа (которым посвящена данная статья и показаны на рис. 2) содержат более сложный выходной каскад, который позволяет им напрямую взаимодействовать с входом драйвера затвора IPM.

Оптимизация оптоизоляторов и другие истории о том, как обходиться меньшими средствами

Прошло несколько месяцев с тех пор, как я засучил рукава здесь и занялся некоторыми старыми добрыми проблемами проектирования схем. Я начал со статей по схемотехнике, и мне это не хватало.

Сегодняшняя тема покажет вам несколько приемов повышения производительности оптоизоляторов.Эти устройства - и я склонен лениться и называть их «оптос», но это больше похоже на кашу с изюмом, покрытым греческим йогуртом, - по сути, представляют собой просто светодиод и фототранзистор внутри непрозрачной упаковки. С одной стороны корпуса вы пропускаете ток через светодиод. Он загорается. Вы не видите этого, потому что свет находится внутри упаковки, и он предназначен для освещения фототранзистора и его включения. (Если бы упаковка не была непрозрачной, и вы могли бы видеть, как загорается светодиод, это также означало бы, что вы могли бы направить свет снаружи на фототранзистор и включить его, что нехорошо, потому что единственный раз, когда вы хотите, чтобы фототранзистор включился включить - это когда загорится светодиод.Если вы когда-либо использовали старые прозрачные стеклянные диоды 1N914 / 1N4148 и обнаружили, что выходная мощность вашей схемы изменяется при включении люминесцентных ламп, вы будете благодарны, что упаковка оптоизолятора непрозрачна.) Ток идет с одной стороны, это вызывает ток течет с другой стороны, и между входом и выходом нет гальванической связи, поэтому вы можете отправлять сигнал через высоковольтный дифференциал. Большинство оптоизоляторов имеют номинал ввода-вывода от 500 В до 5000 В.

Самый простой способ работать с оптоизоляторами - это купить такие, которые имеют встроенную систему преобразования входного и выходного сигналов, и таким образом вы можете представить, что они не оптоизоляторы, и относиться к ним как к черному ящику.Вход логического сигнала, выход логического сигнала, между ними гальваническая развязка. Фактически, если я хочу отправить высокоскоростной цифровой сигнал через барьер изоляции напряжения, я, вероятно, не буду использовать оптоизоляторы, а вместо этого буду использовать что-то вроде Si8715, Si8620BB или ISO7220C, которые на самом деле основаны на емкостной связи, а не на оптоэлектронике. Цифровые изоляторы с емкостной связью должны быть более надежными и не проявлять признаков температурной зависимости и старения, которые наблюдаются в оптоизоляторах.

Проблема в цене. Беглый взгляд на Digi-Key показывает, что Si8715 (одноканальный 15 Мбит / с) стоит около 1,07 доллара при количестве 1000 штук, ISO7220C (двухканальный 25 Мбит / с) - 1,18 доллара, а Si8620BB (двухканальный 150 Мбит / с) - 1,26 доллара. с повышением цен оттуда. В то время как самые дешевые оптоизоляторы - это LTV-817 и EL-817 по цене чуть менее 10 центов каждый при количестве 1000 штук.

Итак, когда вы работаете над массовым продуктом, где деньги имеют значение, а бухгалтеры и менеджеры стучатся к вам в дверь, вы, возможно, не сможете использовать эти красивые простые ИС в виде черного ящика.

С другой стороны, LTV-817 и EL-817 - это оптоизоляторы типа Jellybean - они МЕДЛЕННЫЕ, и вам может быть трудно получить даже 50 Кбит / с из них.

Следующим лучшим уровнем удобства после модного цифрового изолятора в виде черного ящика является 6N137. Это квазицифровой оптоизолятор с «логическим выходом», продаваемый почти всеми производителями оптоэлектроники - по сути, он имеет светодиодный вход, который светит через электростатический экран на фотодиод, подключенный к компаратору с выходом с открытым коллектором.Это относительно быстро, поддерживает гарантированную скорость 10 Мбит / с. О, и вы получаете бесплатно вывод включения выхода.

Самые дешевые 6Н137 производят Lite-On и Everlight - те же дальневосточные производители LTV-817 и EL-817; большой сюрприз - и звоните по цене чуть менее 25 центов за 1000 штук. И если эта цена порадует прилавков, то вы золотой. (По какой-то причине двойная версия этого, HCPL-2630, кажется, не входит в дешевую версию; Everlight якобы продает EL2630, но ни один из дистрибьюторов, похоже, не имеет его, и список данных, который они перечисляют, является неправильный, вместо 6Н137.)

Если 25 центов - это слишком много, а детали по 10 центов - слишком медленно, у вас есть мешанина из других оптоизоляторов между ними. Я покажу вам свою рекомендацию, что делать в этом ценовом диапазоне через минуту.

Но сначала мне нужно пройти по короткой касательной и выпустить воздух.

WTF идет не так

Был 1998 год. Я работал около 18 месяцев после окончания колледжа. Годом ранее на меня возложили ответственность за зарядное устройство в медицинском устройстве, и я спроектировал и построил несколько прототипов зарядных устройств на основе модулей питания от Vicor.Они работали хорошо, но были слишком дорогими для выпуска в производство. Мы начали работать с контрактным производителем, чтобы помочь нам изменить дизайн частей нашей системы, снизить затраты и повысить технологичность. И я работал с парнем по имени ... ну, назовем его просто Уильям Танго Фокстрот. У нас был какой-то странный аккумулятор, и зарядное устройство требовало нестандартной конструкции. Это мистер Фокстрот придумал этот дизайн, чтобы он соответствовал спецификации, которую я написал.

Оглядываясь назад, мне следовало бы сбежать, когда я понял, что мистер Мистер.Фокстрот был суб-суб-суб-субподрядчиком. Моим работодателем был дизайнерский дом для медицинских устройств; у нас была ответственность за дизайн продукта для крупной компании, производящей медицинское оборудование, которая не занималась разработкой самостоятельно. Моя компания действительно имела большой опыт в области медицинского проектирования, но не в крупносерийном производстве, поэтому мы работали с контрактным производителем. И они мало что сделали в области аккумуляторов, но у них были дела с другой компанией, которая производила аккумуляторные блоки и зарядные устройства.И эта компания не создавала собственных зарядных устройств; вместо этого они полагались на мистера Фокстрота. И мне повезло, мы все были в разных штатах. Итак, это субподрядчик четвертого уровня. Или пятый? Я не совсем понимаю, как работает подсчет. И каждый в цепочке получает свою долю прибыли. В любом случае, я едва закончил школу, так кто я такой, чтобы возражать?

Через несколько месяцев после этого г-н Фокстрот прислал нам несколько первых прототипов. Они пришли в корпус, спроектированный субподрядчиком третьего уровня; оно было черным как порошковое покрытие и отдаленно напоминало маску Дарта Вейдера.У этих прототипов были проблемы. Во-первых, мы использовали SMBus в качестве коммуникационной шины для интеллектуальной батареи. Батарея требует определенного количества тока, и зарядное устройство должно обеспечивать этот ток. Довольно просто. Поэтому г-н Фокстрот использовал микроконтроллер PIC16C72 для управления коммуникациями. Но это зарядное устройство вызвало достаточно электромагнитных помех, чтобы нарушить связь, оно остановилось и показало неисправность. И с некоторыми платами были проблемы ....

На тот момент дизайн мистера Фокстрот был похож на гнилую луковицу. Снаружи это выглядело неплохо, но, возможно, пахло немного странно, и когда мы сняли один слой лука, мы увидели гниль, но затем, когда мы сняли еще несколько слоев, все было в порядке. Вот только запах никуда не делся. Итак, мы сняли еще один слой, и там было еще немного гнили, затем мы сняли еще несколько слоев, и снова все в порядке. Но запах остался… Вот как выглядела гниль в нашем случае:

Мы так и не увидели первый раунд прототипов Mr.Фокстрот разработан. Они так и не вышли из его мастерской - он вообще не мог наладить связь по SMBus. Мы немного поговорили и выяснили, что он использовал двухслойную печатную плату, что немного схематично, когда вы работаете с импульсным блоком питания; это затрудняет или делает невозможным надлежащее управление электромагнитным шумом. Его оригинальная схема использовала операционные усилители LM324 в качестве компараторов для генератора ШИМ. Нам это не понравилось: нельзя использовать операционные усилители в качестве компараторов.Они не предназначены для этого. Операционные усилители оптимизированы, чтобы быть красивыми и линейными. Компараторы оптимизированы, чтобы работать быстро. Оба тестируются на предмет соответствия их дизайну. Если вы используете операционный усилитель в качестве компаратора, когда выходной сигнал становится высоким или низким, а входы расходятся друг от друга, операционный усилитель насыщается, и может потребоваться много времени, чтобы выйти из состояния насыщения. Время восстановления насыщения операционного усилителя обычно не указывается в таблице данных, и нет ничего, что могло бы помешать ему занять миллисекунды для восстановления после насыщения.(Миллисекунды! Подумайте об этом немного.) Даже если бы в схеме мистера Фокстрота использовался компаратор, это была бы уродливая схема; самодельный генератор пилы, хотя и функционировал надлежащим образом, был подвержен изменению компонентов, и мы не верили в его возможности в качестве надежного генератора ШИМ. Поэтому мы заставили его перейти на четырехслойную плату, и он изменил свой дизайн, чтобы использовать ИС источника питания TL594.

Второй раунд прототипов был лучше, и он прислал нам несколько из них. Мне нужно было сделать несколько тестов, поэтому я открыл крышку и заглянул внутрь.Внизу печатной платы было несколько перемычек 18 AWG. Мы позвонили ему и спросили об этом. Он сказал, что некоторые соединения на печатной плате были разомкнуты. Еще один техник и я присмотрелись, и мы обнаружили, что причиной этого были термостаты на некоторых переходных отверстиях. У каждого из них было по четыре спицы, и они были очень узкими, поэтому превратились в предохранители. Мы попросили его починить переходные отверстия и правильно определить размеры термиков.

Я не помню точно, что произошло дальше - может быть, одна из колодок отслоилась, или, может быть, я измерил сопротивление следа, которое показалось немного высоким - но было что-то подозрительное в печатной плате; после очередного звонка мистеруФокстрот, мы в конце концов выяснили, что он использовал 1/2 унции меди. Толщина медного покрытия печатной платы обычно измеряется в унциях меди, используемой на квадратный фут площади платы: одна унция меди, наиболее распространенная толщина, составляет 34,8 мкм. На некоторых платах используется более толстое медное покрытие, чтобы выдерживать высокие токи. Нет ничего необычного в том, чтобы увидеть 2 унции. медь, используемая в блоке питания. Я работал над одним проектом, где мы использовали 6 унций. медь для проведения токов в диапазоне 100 А. Поэтому, когда мы узнали, что в этой плате используется медь весом 1/2 унции, мы не были довольны.Это была мера по сокращению затрат на печатную плату, которая должна выдерживать ток. Поэтому он заменил его на одну унцию меди.

В итоге мы получили обновленный прототип. Тем временем он работал над прошивкой PIC16C72, и я проверял, в порядке ли конструкция оборудования. У него все еще были некоторые проблемы, которые я, наконец, проследил до ферритового индуктора с барабанным сердечником. У таких индукторов есть магнитное поле, выходящее за концы барабана, что не только вызывало электромагнитные помехи, но и заставляло магнитный поток соединяться с заземляющим слоем, по существу создавая дополнительную паразитную обмотку, которая была закорочена.(Изменение магнитного потока вызвало циркулирующий ток в плоскости заземления, что привело к дополнительным потерям мощности.) В результате в индукторе протекал избыточный ток, и он перешел в режим насыщения и перегрелся. Так что нам нужно было помочь остыть и добавить щит, и я не думаю, что мне когда-либо удавалось заставить это работать.

Я, вероятно, опускаю по крайней мере пять других деталей, которые я не могу вспомнить об оборудовании. Что касается прошивки, мы были обеспокоены, так как приближался крайний срок, а у нас все еще были проблемы.Мы попросили г-на Фокстрота дать нам некоторую информацию о том, как работает код. У него действительно не было никакой документации, и она не обрабатывала коммуникации так, как мы ожидали. Поэтому я написал несколько блок-схем того, как я хочу, чтобы программа вела себя на высоком уровне, и сказал, чтобы она работала вот так. Крайний срок приближался… поэтому мы попросили взглянуть на сам код. Оказалось, что он использовал ассемблер под названием Parallax SPASM. Это использовало другие инструкции и делало PIC более похожим на процессор 8051 для программиста.Позвольте этому погрузиться - это был ассемблер, используемый для программирования архитектуры PIC16 с совершенно разными инструкциями . Да, и мистер Фокстрот не мог помочь нам большую часть недели до крайнего срока; у него была торговая выставка, которую он должен был посетить ....

На этом этапе мы исключили мистера Фокстрота, и я также взял на себя разработку программного обеспечения, изучив SPASM, потому что было слишком сложно преобразовать код в собственные инструкции сборки Microchip без риска внесения новых ошибок.Получил сносно работающее вовремя зарядное устройство. Это был единственный раз, когда я работал более 70 часов в неделю, и я не планирую делать это снова.

В конце концов, я думаю, что у этого проекта были две или три последующих версии конструкции зарядного устройства, в одной из которых мы вернулись к источникам питания Vicor, а позже кто-то с большим опытом проделал достойную работу по созданию нестандартного зарядного устройства, которое было разумно оцененный.

Мораль этой истории… что ж, из этого можно извлечь несколько уроков.

One: не работайте с субподрядчиками, которым вы не можете доверять, и заранее выясните, можно ли им доверять.

Второй урок состоит в том, чтобы использовать ранее существовавшую экономию от масштаба. Я упоминал, что у нас был странный аккумулятор - напряжение было выше, чем у обычных аккумуляторов на 6/12/24 В, которые используются в других продуктах. Если бы мы использовали аккумуляторную батарею на 24 В, скорее всего, мы могли бы просто купить стандартное зарядное устройство. Но мы этого не сделали, и в результате это увеличило риски проекта и инженерные расходы.

Третий урок - правильно расставить приоритеты. Дизайн должен сначала работать, а во-вторых, быть недорогим. Если вы можете заставить его работать, но это стоит больше, чем вы планировали, по крайней мере, у вас есть шанс на успех и вы можете сократить расходы в будущем. Если вы можете купить его дешево, но он не работает, то в этом нет никакого смысла.

И, наконец, если вы делаете что-то новое, безрассудно планировать с самого начала достижение оптимального недорогого решения. Нет никакого смысла. Конечно, стремиться к разумной цене - это хорошо, но не пытайтесь выкладывать всю стоимость с самого начала.Крупные производители, такие как Apple, Samsung и Dell, могут сократить время цикла до точки, при которой они могут быстро выпускать новый продукт и иметь его достаточно дешево, чтобы получать прибыль при больших объемах. Но это потому, что у них есть опыт в этом, и у них есть поток исследований, которые используются в процессе разработки, чтобы гарантировать наличие недорогих компонентов и подсистем. Если вы планируете выпуск нового продукта, для увеличения производства которого потребуется год или два, время для оптимизации зарядного устройства еще не в самом начале, когда важно получить прототипы и поучиться у них.Даже при умеренных объемах, если произведено 5000 единиц и вы потратите на 5 долларов больше на неоптимальное зарядное устройство, но сэкономите 40 000 долларов на инженерных разработках (по сравнению с 25 000 долларов, которые больше стоят для зарядного устройства), вы все равно опережаете игра. Сэкономьте энергию на снижении затрат, чтобы быть готовым к тому объему, в котором она окупится.


Итак, это моя поучительная история на сегодня. Несмотря на это, я настоятельно рекомендую вам изучить недорогие методы проектирования, чтобы лучше использовать имеющиеся у вас компоненты.Получите некоторый опыт с этими методами, чтобы быть готовыми, когда они вам понадобятся. (Вскоре мы поговорим о некоторых из этих техник.) Просто убедитесь, что у вас есть хорошая идея, когда вам следует их использовать, а когда нет.

Назад к оптоизоляторам и исчезающему искусству проектирования схем биполярных транзисторов

Мы скоро вернемся к оптоизоляторам. Еще один небольшой комментарий, прежде чем мы это сделаем:

Три или четыре десятилетия назад, если вы упомянули транзисторы, подразумевалось, что вы, вероятно, говорили о биполярных транзисторах, а не о полевых МОП-транзисторах.НПН, ПНП, база, коллектор, эмиттер. Ток коллектора равен базовому току, умноженному на бета. Ранний эффект. V BE . Бла бла бла. Ага, биполярные транзисторы. И хорошие дизайнеры знали, как ими пользоваться. В самых быстрых компьютерах использовались биполярные транзисторы в логике с эмиттерной связью (ECL), и даже более разнообразными логическими микросхемами с приличной производительностью были 7400 S или AS с диодами Шоттки. Силовые биполярные транзисторы могли иметь коэффициент усиления по току в диапазоне 8-10, и для их быстрого включения и выключения использовались всевозможные уловки.

В настоящее время полупроводниковая промышленность в подавляющем большинстве перешла на КМОП не только для цифровой логики и микропроцессоров, но также для аналоговых и силовых полупроводников, в первую очередь из-за низкого потребления статической мощности. Оптоизоляторы являются одним из основных исключений: устройства в оптоэлектронике по-прежнему в основном биполярные фототранзисторы.

Хотя биполярные транзисторы, вероятно, будут существовать еще какое-то время, я думаю, что методы их использования могут стать неясными.И время от времени они находят себе применение в ваших схемах. Так что вы захотите хотя бы кое-что понять о транзисторах NPN и PNP и знать, где искать дополнительную информацию.

Существенное различие между биполярным транзистором и полевым МОП-транзистором, с точки зрения конструкции схемы, состоит в том, что биполярные транзисторы являются устройствами, управляемыми током, а полевые МОП-транзисторы - устройствами, управляемыми напряжением. В обоих случаях первичный ток (коллектор-эмиттер в биполярах, сток-исток в полевых МОП-транзисторах) относительно не зависит от напряжения на устройстве и сильно зависит от того, что происходит на клемме управления: в линейном диапазоне биполярный транзистор-эмиттер - ток коллектора пропорционален току базы, тогда как ток сток-исток полевого МОП-транзистора является несколько нелинейной функцией напряжения затвор-исток.Это статичное поведение.

Динамическое поведение как биполярных транзисторов, так и полевых МОП-транзисторов более интересно и, возможно, менее известно. Я знаю три фактора, которые влияют на время переключения в биполярных транзисторах (два из них также применимы к полевым МОП-транзисторам):

  1. Емкость база-эмиттер . (аналогично полевым МОП-транзисторам). Одним из основных факторов, влияющих на эффективную полосу пропускания транзистора, является емкость, видимая на его входном выводе. Эта емкость должна быть заряжена, чтобы включить транзистор, и разряжена, чтобы выключить его.

  2. Емкость база-коллектор , также известная как эффект Миллера (аналогично МОП-транзисторам). Коэффициент усиления напряжения между базой и коллектором вызывает эффективное умножение емкости, видимой на базе. Это означает, что более низкий коэффициент усиления по напряжению из-за более низкого импеданса нагрузки на коллекторе увеличит полосу пропускания транзистора.

  3. Насыщение база-коллектор . Когда напряжение коллектор-эмиттер транзистора падает до точки, где переход база-коллектор становится смещенным в прямом направлении, это сохраняет дополнительный заряд.Отключение транзистора в области насыщения требует снятия дополнительного заряда.

Хорошие схемы управления транзисторами учитывают все три этих эффекта, используя следующие методы:

  1. Вставить заряд, снять заряд во время переключения. (Мы делаем это, естественно, в полевых МОП-транзисторах.)

  2. Поддерживайте низкое сопротивление коллектора, уменьшайте величину переключения.

  3. Не допускайте насыщения соединения база-коллектор.(Разработчики схем обычно используют зажим на диоде Шоттки или метод, называемый зажимом Бейкера, чтобы удерживать коллектор в NPN-транзисторе чуть выше напряжения насыщения.)

Итак, давайте еще раз взглянем на наш оптоизолятор. LTV-817 и EL-817 представляют собой четырехполюсные устройства: катод и анод входного фотодиода, а также коллектор и эмиттер выходного фототранзистора. Воздействие света на фототранзистор по существу действует вместо нормального тока базы.

У нас нет доступа к базе, поэтому единственный доступный здесь метод - второй в нашем списке: поддерживать низкое выходное сопротивление. Фактически, если мы посмотрим на таблицу LTV-817, мы увидим этот график:

Время отклика намного меньше при меньшем выходном сопротивлении. Поэтому, если вам нужна высокая скорость, не экономьте на выходном токе.

Другие методы были бы доступны нам, если бы у нас был доступ к базовому терминалу. Оказывается, на самом деле есть оптоизоляторы, которые дают нам доступ к базовому терминалу.4N35 / 4N36 / 4N37 являются стандартными деталями, производимыми многими производителями, и они не очень дороги. Digi-Key предлагает один от Lite-On по цене 11,3 цента за 1000 штук, что ненамного больше, чем у LTV-817. Вот что мы получаем:

Третий метод, перечисленный выше, предотвращающий насыщение перехода база-коллектор, можно использовать, если мы подключим диод Шоттки от базы к коллектору; это предотвращает падение коллектора более чем на 0,3 В ниже базы. Это сократит время выключения.Digi-Key показывает некоторые из диодов Шоттки BAT54 по цене 3 цента за штуку в количестве 1000 штук.

Также можно использовать первую из перечисленных выше техник, подталкивание заряда или извлечение заряда. В простой транзисторной схеме (в отличие от фототранзистора) базовый ток будет исходить от напряжения через резистор, и мы могли бы добавить к этому резистору параллельную емкость. Мы не можем сделать это напрямую с помощью фототранзистора, поскольку источником тока базы является свет светодиода.Мы могли бы подключить конденсатор параллельно с любым сопротивлением, используемым для управления светодиодом, и он добавит короткий сильноточный импульс при первом включении светодиода. Это должно позволить быстрее включить фототранзистор. Однако этот конденсатор не поможет нам выключить фототранзистор быстрее: мы не можем использовать светодиод, чтобы вытягивать фотоны из фототранзистора, чтобы получить отрицательный базовый ток. Но мы можем помочь ему выключиться быстрее, подключив резистор между базой и эмиттером.Это также делается с простыми транзисторными схемами: это помогает отводить ток от базы, что ускоряет время выключения. (Без этого резистора единственный способ вытащить заряд из базы - это ток база-эмиттер, и требуется время, чтобы затухать.)

Это полезный метод, и я не понимаю, почему производители оптоизоляторов не предлагают делать это в своих таблицах данных. Идея состоит в том, что вы вычисляете минимальную эквивалентную величину базового тока, вызванного светом, падающим на фототранзистор, и выделяете часть его на протекание через резистор база-эмиттер.К сожалению, большинство производителей не указывают бета-значения (также известные как h FE ) для своих транзисторов, поэтому невозможно гарантировать через спецификации. (Одно исключение: в 4N35 от TI указано типичное значение h FE , равное 500.) Но если вы готовы провести несколько экспериментов и оставить достаточно запаса, вы сможете получить некоторое ускорение с небольшой нагрузкой на базовый эмиттер. Что-то в диапазоне 100 кОм (отнимающее около 6 мкА тока база-эмиттер при включенном фототранзисторе) примерно то же самое. Таблица данных Fairchild для серии 4N35 фактически дает некоторые полезные графики характеристик, включающие сопротивление базового эмиттера; например:

Здесь, если присутствует R BE , но это очень высокое значение (1–100 МОм), время простоя фактически увеличивается на .Я не совсем уверен, почему это так, но важно то, что по мере того, как сопротивление падает, время простоя уменьшается. Мое практическое правило состоит в том, чтобы посмотреть, насколько низкое сопротивление вы можете сделать, не препятствуя включению транзистора, а затем умножить это сопротивление на что-то в диапазоне 5-10, чтобы у вас был большой запас.

Итак, вот наша скорректированная схема:

R1 и R4 - основные резисторы, устанавливающие входной ток и выходную нагрузку. 4N35 оптимизирован для 100% коэффициента передачи тока (CTR) при входном токе 10 мА.При питании 3,3 В ± 5%, чтобы получить не менее 10 мА, я бы установил R1 около 150 Ом, так как входной светодиод может упасть до 1,5 В, а управляющий вентиль на входе, вероятно, не опустится полностью до 0. Тогда выходное сопротивление нагрузки R4 должно быть 330 Ом, чтобы размах выходного сигнала был достаточно большим, чтобы гарантировать допустимый низкий логический уровень на входе для последующих цепей.

Конденсатор ускорения

и резистор C1 и R2 могут быть трудны в использовании, не потребляя слишком большой ток, поэтому, если бы я создавал печатную плату, я бы оставил их в своем дизайне в качестве страхового полиса, но я бы, вероятно, оставил их незаселенными.

Зажим Шоттки D2 - это диод BAT54, который предотвращает насыщение фототранзистора. Для резистора база-эмиттер R3 мы попробуем использовать 100 кОм.

Если бы я хотел немного ускорить процесс, я бы уменьшил размах выходного сигнала фототранзистора и использовал другой каскад инверсии:

Здесь мы можем установить R4 на 100 Ом - для выходного тока 10 мА мы получим размах 1,0 В, достаточный, чтобы гарантировать включение PNP-транзистора Q2; мы можем установить его нагрузочный резистор R5 на что-то, что является компромиссом между потреблением слишком большого тока и поддержанием низкого сопротивления нагрузки: 470 Ом, вероятно, будет правильным.Эквивалент 2N3906 подходит для Q2. (Компания Digikey указывает, что PMBT3906 компании NXP имеет стоимость чуть более 2 центов каждый на 1000 штук.) Теперь фототранзистор никогда не будет насыщаться, поэтому мы можем вместо этого переместить зажим Шоттки на Q2, чтобы предотвратить его насыщение. Или, может быть, мы можем просто избавиться от зажима Шоттки - автономные переключающие транзисторы, такие как 2N3906, обычно быстрее, чем фототранзисторы, поэтому время выхода Q2 из насыщения, вероятно, не будет слишком большим, особенно с учетом того, что в его корпусе есть резистор 100 Ом. база к эмиттеру, чтобы помочь ему быстро выключиться.

В любом случае, надеюсь, вы получили некоторые идеи о том, как обращаться с транзисторами, как с чистокровными, и позволить им приблизиться к раскрытию своего максимального потенциала. Подводя итог, я еще раз перечислю три фактора, о которых следует помнить, если вы хотите, чтобы биполярные транзисторы переключались быстро.

  1. Емкость база-эмиттер. Вставляйте заряд, снимайте заряд во время переключения и / или поддерживайте сопротивление база-эмиттер на минимальном уровне.

  2. Емкость база-коллектор. Поддерживайте низкое сопротивление коллектора и / или уменьшайте величину колебаний напряжения.

  3. Насыщение база-коллектор. Не допускайте насыщения соединения база-коллектор. Один из способов - уменьшить величину колебаний напряжения, чтобы между коллектором и эмиттером всегда было не менее одного или двух вольт, а другой - использовать зажим Шоттки или зажим Бейкера, чтобы удерживать коллектор в транзисторе NPN чуть выше напряжение насыщения.

Обратите внимание: , если вы используете беспаечные макеты, подобные приведенной ниже (еще раз спасибо, Википедия!), Между соседними рядами возникает паразитная емкость в несколько пФ, и вы получите немного худшую производительность, чем если бы вы использовали перфорационную плату или изготовленная на заказ печатная плата.Один из способов уменьшить это влияние на критические узлы схемы, используемые в беспаечных макетных платах, - это оставить пустую строку между каждым узлом схемы. Если пустая строка находится между узлами схемы, которые чувствительны к емкостной связи (например, эффект Миллера между базой и коллектором транзистора или входным узлом и зашумленным узлом), привяжите строку между ними к статическому напряжению (например, заземлению схемы ). В противном случае оставьте его пустым, и вы получите только половину паразитной емкости - помните, когда два конденсатора C1 и C2 включены последовательно, чистая емкость равна \ (1 / (1 / C_1 + 1 / C_2) \).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *