Убедитесь в правильном выборе тока светодиода вашего оптоизолятора
Texas Instruments TL431 UCC2897A
Brian King, Texas Instruments
В изолированных источниках питания для передачи сигнала обратной связи через изолирующий барьер используются оптроны. Внутри оптрона размещаются светодиод и фотодетектор. Ток, идущий через светодиод, приводит к появлению пропорционального тока в фотодетекторе. Коэффициент передачи тока (current transfer ratio – CTR) определяется как отношение токов фотодетектора и светодиода и обычно имеет очень большой разброс. Конструируя цепь изолированной обратной связи, необходимо учитывать разброс параметров оптоизолятора и всех других компонентов, определяющих большой коэффициент усиления сигнала. Пренебрежение этой задачей может легко привести к возврату после запуска вашего продукта в массовое производство.
Наиболее распространенная схема изолированной цепи обратной связи показана на Рисунке 1. Микросхема TL431 содержит усилитель ошибки и источник опорного напряжения. Выходное напряжение устанавливается резистивным делителем R3, R5 и внутренним опорным источником микросхемы TL431. Изменяя напряжение на входе обратной связи контроллера ШИМ, цепь обратной связи управляет мощностью, поступающей на выход источника питания. При смещении VOUT вверх катод TL431 отдает оптоизолятору больше тока, и напряжение обратной связи VFB становится ниже. Когда VOUT смещается вниз, катодный ток TL431 уменьшается, и напряжение обратной связи увеличивается.
 | ||
| Рисунок 1. | Такая схема формирования сигнала обратной связи чаще всего используется в изолированных источниках питания. | |
Правильно сконструированная схема должна быть способна гарантированно управлять входом обратной связи контроллера во всем рабочем динамическом диапазоне при наихудшем сочетании возможных допусков и разбросов параметров всех главных компонентов.
Первым делом необходимо определить рабочий динамический диапазон напряжения на выводе обратной связи контроллера. Все контроллеры отличаются друг от друга, поэтому в каждом случае потребуется обращение к справочной документации. В качестве примера предположим, что для управления прямоходовым преобразователем с активным ограничением мы используем микросхему ШИМ-контроллера UCC2897A. Глядя в раздел «Подробное описание выводов» технического описания UCC2897A, мы видим, что при напряжении 2.5 В на входе обратной связи коэффициент заполнения ШИМ равен нулю, а при напряжении 4.5 В коэффициент заполнения максимален. UCC2897A содержит также источник опорного напряжения 5 В (вывод VREF), к которому можно подключить нагрузочный резистор R6 фототранзистора оптрона, изображенного на Рисунке 1. Минимальное значение опорного напряжения равно 4.75 В, а максимальное – 5.25 В. Рассчитать требуемый диапазон токов транзистора оптрона, в предположении, что сопротивление резистора R6 равно 1 кОм ±1%, можно с помощью формул (1) и (2):
 | (1) |
 | (2) |
Из этих расчетов следует, что схема должна быть способна пропускать через R6 ток от 0.25 мА до 2.78 мА. При выборе соответствующего сопротивления резистора R2 напряжение на катоде TL431 может достигать достаточно высокого уровня, при котором поступление тока в светодиод прекратится. Таким образом, минимальный ток R6 гарантируется конструкцией схемы, и остается побеспокоиться о том, как обеспечить максимальный ток R6.
 | ||
| Рисунок 2. | Зависимость CTR оптоизолятора от температуры. | |
На втором шаге необходимо рассчитать CTR оптрона для наихудшего случая. Оптроны с цифрами «817» в обозначении типа предлагаются многими производителями. Все они совместимы друг с другом по выводам и отличаются только префиксами. В Таблице 1 в качестве примера приведены диапазоны CTR для различных групп оптронов 817, маркируемых однобуквенными суффиксами в конце обозначения. Приведенные в таблице данные справедливы при температуре 25 °C для прямого тока светодиода 5 мА. Показанные на Рисунках 2 и 3 графики зависимостей CTR от окружающей температуры и тока светодиода взяты из справочной документации.
 | ||
| Рисунок 3. | Зависимость CTR оптоизолятора от тока светодиода. | |
Предположим, что ваш источник питания должен работать в диапазоне температур от –40 °C до 85 °C. На основании Рисунка 2 определяем, что для температуры 85 °C минимальное значение CTR нужно умножить приблизительно на 0.7. Если вы выбрали оптрон 817 группы «A», минимальное значение CTR теперь будет равно всего 56%. Деление результата, полученного из формулы (1), на 0.56 показывает, что без учета зависимости CTR от тока, максимальный ток, который может потребоваться светодиоду, составляет, по крайней мере, 4.96 мА. Впрочем, как видно из Рисунка 3, пологий характер графика при 4.96 мА позволяет этой зависимостью пренебречь.
| Таблица 1. | Значения CTR для различных групп оптоизоляторов 817 | ||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||
Третий, и последний шаг – выбор такого значения сопротивления R1, чтобы тока TL431 при любых условиях хватало для управления оптроном. Минимальное напряжение на катоде TL431 равно 2.5 В, а прямое падение напряжения на светодиоде оптрона может достигать 1 В. Используя эти параметры, рассчитаем максимальное значение R1 с помощью формулы (3):
 | (3) |
При использовании резистора R1 с сопротивлением более 1.7 кОм выходного тока TL431 для поддержания режима стабилизации может оказаться недостаточно. Тогда выходное напряжение будет продолжать рост до тех пор, пока светодиод оптрона не получит необходимое количество тока. Это приведет к перенапряжению на выходе, и, скорее всего, произойдет при более высоких температурах.
Проблемы разброса параметров часто упускают из виду на этапе проектирования. Источники питания из опытной партии легко могут пройти выходной контроль, а неприятности возникнут позже, когда потребители начнут возвращать продукцию. Следуя описанной здесь простой процедуре расчета, вы можете сэкономить деньги своей компании и не огорчить ее клиентов.
Материалы по теме
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
Что такое оптопара
Оптрон — оптоэлектронный прибор, главными функциональными частями которого выступают источник света и фотоприемник, гальванически не связанные друг с другом, но расположенные внутри общего герметичного корпуса. Принцип действия оптрона базируется на том, что подаваемый на него электрический сигнал вызывает свечение на передающей стороне, и уже в форме света сигнал принимается фотоприемником, инициируя электрический сигнал на приемной стороне. То есть сигнал передается и принимается посредством оптической связи внутри электронного компонента.
Таким образом, оптопара представляет собой электронный компонент, обеспечивающий оптическую передачу сигнала в цепи без гальванической связи между источником сигнала и его приемником, поскольку фотоны, как известно, электрически нейтральны.
Структура и характеристики оптопар
В оптопарах применяются фотоприемники, чувствительные в ближней инфракрасной и видимой областях, поскольку именно для данной части спектра характерны источники интенсивного излучения, могущие работать в качестве фотоприемников без охлаждения. Фотоприемники с р-n-переходами (диоды и транзисторы) на основе кремния универсальны, область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи 0,8 мкм.
Входное устройство, входящее в структуру оптрона, предназначено для создания оптимальных условий работы излучателя (светодиода), для смещения рабочей точки в линейную зону ВАХ.
Входное устройство обладает достаточным быстродействием и широким диапазоном входных токов, обеспечивая надежность передачи информации даже при малом (пороговом) токе. Оптическая среда находится внутри корпуса, через нее передается свет от излучателя к фотоприемнику.
В оптронах с управляемым оптическим каналом имеется дополнительное устройство управления, через которое можно с помощью электрических или магнитных средств влиять на свойства оптической среды. На стороне фотоприемника сигнал восстанавливается, с высоким быстродействием преобразуясь из оптического в электрический.
Выходное устройство на стороне фотоприемника (например включенный в схему фототранзистор) призван преобразовать сигнал в стандартную электрическую форму, удобную для дальнейшей обработки в следующих за оптроном блоках. Оптопара зачастую не содержит входных и выходных устройств, поэтому ей требуются внешние цепи для создания нормального режима работы в схеме того или иного прибора.
Оптопары находят широкое применение в цепях гальванической развязки блоков различной аппаратуры, где есть низковольтные и высоковольтные цепи, цепи управления развязываются от силовых цепей: управление мощными симисторами и тиристорами, схемами реле и т. д.
В радиотехнических схемах модуляции и автоматической регулировки усиления используются диодные, транзисторные и резисторные оптроны. Через воздействие по оптическому каналу схема бесконтактно регулируется и выводится на оптимальный рабочий режим.
Оптопары настолько универсальны, что даже просто в качестве элементов гальванической развязки и бесконтактного управления применяются в настолько разнообразных отраслях и в таком количестве уникальных функций, что все и не перечислить.
Вот лишь некоторые из них: вычислительная техника, техника связи, автоматика, радиоаппаратура, системы автоматизированного управления, измерительные приборы, системы контроля и регулирования, медицинская техника, устройства визуального отображения информации и многое многое другое.
Применение оптопар на печатных платах позволяет добиться идеальной гальванической развязки, когда требования к изоляции высоковольтных и низковольтных, входных и выходных цепей по сопротивлению чрезвычайно высоки. Напряжение между цепями передатчика и приемника популярной оптопары PC817 составляет, например, 5000 В. Кроме того с помощью оптической развязки достигается чрезвычайно малая проходная емкость, порядка 1 пф.
При помощи оптопар очень просто реализуется бесконтактное управление, при этом сохраняется простор для уникальных конструкторских решений касательно непосредственно управляющих цепей. Немаловажно здесь и то, что совершенно отсутствует реакция приемника на источник, то есть информация передается однонаправленно.
Широчайшая полоса пропускания оптопары исключает ограничения накладываемые низкими частотами: при помощи света можно передавать хоть постоянный сигнал, хоть импульсный, причем с очень крутыми фронтами, что принципиально невозможно осуществить при помощи импульсных трансформаторов. Канал связи внутри оптопары абсолютно невосприимчив к воздействию электромагнитных полей, поэтому сигнал защищен от помех и наводок. Наконец, оптопары полностью совместимы с прочими электронными компонентами.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Оптрон (оптопара) PC817: datasheet, характеристики и схема включения
Популярность оптрона на транзисторе pc817 — очень велика. Он входит почти в любой импульсный элемент питания с гальваникой и с обратной связью.
Устройство обладает вполне удобным корпусом. Расстояние между выводами составляет 2,54 мм, ряды находятся на расстоянии друг от друга 7,62 мм.
Основным изготовителем PC817 является фирма Sharp, остальные фабрики электроники производят pc817 аналоги. Кстати, делая ремонт различной электроники, люди часто натыкаются в первую очередь на заменители, например, SFH618 от Сименс или TLP521-1 от Тошиба. Есть также двойной и тройной варианты оригинала: PC827 и PC837.
Но выгоднее применять не многоканальный заменитель, а определенное число PC817.
Схема подключения PC817
Она является обычной, как и для всех транзисторных оптронов. Входной ток должен быть ограничен. Для этого можно использовать резистор. Выходной ток также не должен превышаться.
Pc817 схему включения 372 можно увидеть на рисунке:
Pc817 характеристики на русском
Параметры светового диода PC817:
Параметры фототранзистора PC817
Параметры у него такие:
Нужно не забывать об еще одном важном параметре. Он называется коэффициентом передачи тока, CTR. Единицей его измерения являются %. В обозначении оптрона в pc817 datasheet он соответствует букве, идущей за главным кодом, как и в остальных оптронах pc817 и полупроводниках. 
Тестер оптронов
Форумы радиолюбителей часто содержат такое мнение, что, раз элемент стоит недорого, то зачем нужна pc817 проверка. Достаточно его просто вовремя менять.
На самом деле все не совсем так. Нужно понимать, сгорел оптрон или нет, чтобы сделать вывод, повредилось ли что-нибудь еще. Бывает так, что и новые оптопары горят, так как у них есть заводской брак.
Как проверить pc817? Для этого проводят прозвон светового диода с помощью тестера. Сначала выясните, есть ли короткое замыкание в транзисторе. После — пропустите ток через световой диод и убедитесь в открытии транзистора.
Создать простой прибор для тестирования оптронов можно в домашних условиях. Для этого вам понадобятся:
Световые диоды должны соответствовать силе тока от 5 до 20 мА и напряжению примерно 2 В. При этом на двух резисторах должно быть сопротивление в районе 300 В.
Источником питания тестера является Usb-порт с напряжением 5 В. Но можно использовать и 3-4 батарейки 2А. Подойдут и батарейки 9-12 В, или источник питания с таким же напряжением. Только здесь придется сделать пересчет сопротивлений двух резисторов.
Теперь рассмотрим, как работает оптопара, основываясь на разных экспериментах.
Исследования работы оптрона
Для проведения эксперимента нам понадобится несколько приборов:
К входу оптрона нужно подать сигнал определенного вида. При выходе его необходимо изучать указанными приборами.
После — такая же процедура проводится с участием осциллографа и генератора. Там формируется сигнал, амплитуда которого равна 5 В.
Что представляет собой оптопара
Перед нами одноканальное устройство, его оптический канал — закрыт. Он состоит из светового диода и фотографического транзистора, которые находятся в корпусе smd. Они, как правило, находятся в большей части импульс-блоков питания в обособленной цепи, где применяется обратная связь. Гальваническая развязка в таких схемах pc817 должна быть идеальной.
Где используется оптопара
Устройство применяется наряду с бюджетными контроллерами наподобие Arduino, Raspberry Pi. С его помощью передают контрольные сигналы (включение и выключение) в системах со слабым токам, по аналогии с электронным реле.
Цоколевка
С распиновкой РС817 все более или менее понятно. Устройство помещается в 4-контактный корпус DIP. Для него применяется и поверхностный, и дырочный монтаж.
В одном из контактов есть вдавленная точка, указывающая на анод светового диода изнутри. Нумерация ножек осуществляется по часовой стрелки. Вторым по счету идет катод. Выводы номер 3 и 4 являются эмиттером и коллектором.
Современные варианты прибора были с хорошим результатом протестированы в соответствии с международными стандартами. Они безопасны в эксплуатации и трудно воспламеняемы, как указано в pc817 даташит.
Как самостоятельно сделать простые устройства на оптроне
Вы можете встретить оптопару pc817 в телефонной зарядке или компьютерном блоке питания, поэтому добыть ее — совсем не трудно. На ее основе собирается простая светодиодная мигалка, имеющая стробоскопический эффект.
Нужно иметь при себе:
Первым делом нужно рассмотреть саму оптопару. В нее входят 2 детали, которые соединяет оптическая связь. Иными словами, при подаче напряжения на световой диод, происходит открытие внутреннего транзистора.
Используя этот простейший радиоэлемент, создается элементарный генератор с повторяющимися импульсами. Схему не надо настраивать и устанавливать туда полностью исправные элементы. Сборку делают путем навесного монтажа, не используя плату.
Применить эту простейшую схему можно в разных областях.
Все мы знаем, что в большинстве промышленных приборов очень важно вовремя обнаружить напряжение сети изолированно. С помощью изоляции здесь нужно предотвратить протекание тока (постоянного или переменного) от 1-й половины конструкции к другой, а также, обеспечить передачу сигнала и мощности.
Благодаря изоляции можно развязать разницу потенциалов, добиться устойчивости устройства к помехам и защитить его от сильных перепадов напряжений. Как правило, чтобы обнаружить напряжение, нужны оптроны с постоянным или переменным током. Их нужно установить на пути, где проходит сигнал.
Ни в коем случае не допускается прикосновение к плате, когда прибор уже включен. Это приводит к ударам током.
Как соорудить детектор сети с переменным током
В оптроне PC817B есть инфракрасный световой диод, который связан оптикой с фотографическим транзистором. Тот, в свою очередь, помещен в дип-корпус с 4 контактами. Стандартное изоляционное напряжение при входе-выходе равно 5 кВ, у коллектора-эмиттера — до 80 В, CTR может составить до 600% при токе входа 5мА.
В схеме не обязателен трансформатор с переменным током. Для снижения напряжения используется последовательный конденсатор, который подключается напрямую к сети с напряжением 220 В. Для выпрямления напряжения переменного тока применяется диод, а итоговое напряжение при постоянном токе — корректируется конденсатором.
Стабилитрон является предварительным стабилизатором, чтобы полностью защитить цепь. При обрыве на конденсаторе, например, при случайном перегорании резистора, напряжение конденсатора не превышает 5 В. Поэтому конденсатор фильтра не может взорваться.
Итоговый вход провоцирует появление низкого выходного сигнала во время подходящего сопряжения с внешней конструкцией, где есть подтягивающий резистор. Если же питание отключается, появляется высокоуровневый выходной сигнал.
Можно создать и улучшенный вариант такого сетевого детектора, который будет подстроен под цифровую технику. Понятно, что самым элементарным и безопасным способом определить электричество в сети, используя микроконтроллер. Здесь не обойтись без оптрона. Для безопасного подключения pc817 такого высокого напряжения (220 в) к оптопаре, нужно ограничение тока. Из-за его величины должна быть учтена номинальная резисторная мощность.
Для плавного стабильного выхода неизменного тока, к примеру, если речь идет о микроконтроллере GPIO, нужна небольшая доработка схемы. Здесь не имеет большого значения емкость конденсатора. Она может находиться в пределах от 2 до 10 мкФ.
Применение 2-направленной оптопары
Есть еще 1 актуальный вариант — применение 2-направленной оптопары. По-другому она называется оптроном переменного тока. Она включает пару внутренних световых диодов. Они направлены противоположно. Одна из таких моделей — H11AA1.
Благодаря конструкции задуманного детектора-универсала мониторить сигнал, идущий под высоким напряжением, становится проще. Она помогает обеспечить формирование цифрового сигнала выхода с гальваникой. В схеме отсутствуют дорогостоящие элементы. Ее можно собрать в течение часа.
В проект входят 2 важных фрагмента. Один из них производит обработку входа высокого напряжения, второй — изолирует низковольтную секцию от высоковольтной. А для усиления защиты цепи — не обойтись без предохранителя и металло оксидного варистора.
В основе вариатора — находится металлооксид. Он является резистором, который зависит от напряжения. Он своеобразен и защищает схемы от превышенного напряжения. Благодаря ему и снижаются колебания этого показателя.
При обычных условиях варистор обладает большим сопротивлением, но при повышении подключенного напряжения, по сравнению с ограничением вариатора, оно сразу уменьшается. Варистор без труда подключается между фазой и нулем, но лишь вслед за предохранителем. Тогда, если произойдет короткое замыкание варистора, за счет предохранителя произойдет отключение устройства от сети.
Возможно использование подтягивающего резистора для микроконтроллеров, где внутри отсутствует данный элемент. Мало того, при помощи двухконтактной перемычки включается или выключается корректирующий конденсатор, если это необходимо.
Итоговый несглаженный сигнал выхода — не идеально ровный, но его колебания — не больше 500 мВ. Вход в этой оптопаре подключается к напряжению сети, которое обрабатывается схемой делителя емкостей потенциала. Наибольшее возможное коммутационное напряжение оптрона равно 30 В, а транзистор, который подключается к выходу оптрона, способен выдержать силу тока до 10 мА.
Один из примеров использования датчика — когда он является цепью сброса в момент включения в сеть. Второй вариант — это аварийная система подачи тока, сигнализация на микроконтроллере или схема идентификатора сбоя/возобновления питания.
Заключение
Оптрон также может использоваться нестандартно, не только в качестве генератора периодичных сигналов, но и как реле триггера RS с возможностью фиксации состояния. Эта деталь не является редкой или дорогой, каждый ходовой импульсный блок питания включает ее. Она отлично справляется со своей задачей — создавать обратную связь, и эффективно функционирует в комплекте с другим распространенным радиоэлементом — TL431.
Купить оптрон PC817 можно на АлиЭкспресс по ссылке.
