- Dispozitive cuplate opto

  • ACASĂ
  • CIRCUITE ȘI REZISTENȚE
  • TEORIA AC
  • SEMICONDUCTORI
  • AMPLIFICATOARE
  • OSCILATORI
  • SURSE DE ALIMENTARE
  • ELECTRONICA DIGITALĂ

opto

  • 1. Semiconductori
  • 2. Diodele
  • 3. Tranzistoarele de joncțiune bipolară
  • 4. Tranzistoare cu efect de câmp
  • 5. Dispozitive opto-cuplate
  • 6. Tiristoare, triac și diacre
  • 7. Defecțiuni ale tranzistorului
  • 5.0 Dispozitive opto-cuplate
  • 5.1 Funcționarea optocuplatorului
  • 5.2 Utilizarea optocuploarelor
  • 5.3 Optocuploare audio
  • 5.4 Comutatoare opto
  • 5.5 Opto Triacs și relee de stare solidă
  • 5.6 Test de optocuplare
  • După ce ați studiat această secțiune, ar trebui să puteți:
  • Descrieți aplicațiile de bază ale optocuploarelor:
  • Înțelegeți proiectarea circuitelor optocuploare
  • • Utilizarea raportului de transfer curent (CTR) .
  • • Calculul valorilor componentelor pentru optocuploare.
  • Înțelegeți cerințele pentru o aplicație tipică de optocuplare.
  • • Schimbarea nivelului.
  • • Izolarea intrărilor/ieșirilor.
  • • Conducerea unor sarcini mari de curent.
  • • Protecție EMF spate.

Există multe aplicații diferite pentru circuitele optocuploare, deci există multe cerințe de proiectare diferite, dar un design de bază pentru un optocuplator care asigură izolare de exemplu între două circuite, implică pur și simplu alegerea valorilor corespunzătoare ale rezistenței pentru cele două rezistențe R1 și R2 prezentate în Fig. 5.2.1.

În acest exemplu, este prezentat un optocuplator PC817 izolând un circuit folosind logica HCT printr-o poartă a invertorului 7414 Schmitt. Invertorul Schmitt la ieșire îndeplinește mai multe funcții; asigură că ieșirea este conformă cu specificațiile de tensiune și curent HCT, asigură, de asemenea, timpi de creștere și cădere foarte rapide pentru ieșire și corectează inversiunea semnalului cauzată de funcționarea fototranzistorului în modul emițător comun. Fiecare familie logică (de exemplu, tipuri LSTTL sau CMOS) poate avea niveluri de tensiune logice diferite și cerințe diferite de curent de intrare și ieșire, iar optocuploarele pot oferi o modalitate convenabilă de interfață a două circuite cu niveluri logice diferite. Ce este necesar este să vă asigurați că R1 creează un nivel de curent adecvat din circuitul de intrare pentru a conduce corect partea LED a optocuplatorului și că R2 creează niveluri de tensiune și curent adecvate pentru a alimenta circuitul de ieșire prin invertor.

FIG. 5.2.1 O interfață simplă de optocuplare pentru HCT

Proiectarea interfețelor optocuploare

Scopul principal al unei interfețe optocuploare este de a izola complet circuitul de intrare de circuitul de ieșire, ceea ce înseamnă în mod normal că vor exista două surse de alimentare complet separate, una pentru circuitul de intrare și una pentru ieșire. În acest exemplu simplu, sursele de intrare și ieșire vor fi cel mai probabil aceleași în ceea ce privește capacitățile de tensiune și curent, astfel încât interfața oferă doar izolație fără schimbări majore ale nivelurilor de tensiune sau curent.

La alegerea valorilor adecvate pentru R1, valoarea pentru rezistorul de limitare a curentului este setată pentru a produce curentul corect înainte (IF) prin LED-ul cu infraroșu din optocuplator. R2 este rezistența de sarcină pentru fototranzistor și valorile ambelor rezistențe vor depinde de o serie de factori.

Raport de transfer curent

Curentul din fiecare jumătate a circuitului este legat de raportul de transfer de curent sau CTR, care este pur și simplu raportul dintre curentul de ieșire și curentul de intrare (IC/IF) exprimat de obicei ca procent. Fiecare tip de optocuplator va avea o gamă de valori CTR stabilite în foaia tehnică a producătorului. Valoarea CTR depinde, de asemenea, de o serie de factori, în primul rând este tipul de optocuplator, tipurile simple pot avea o valoare CTR cuprinsă între 20% și 100%, în timp ce tipurile speciale, cum ar fi cele care utilizează o configurație de tranzistor Darlington pentru fototranzistorul de ieșire poate avea valori CTR de câteva sute la sută. De asemenea, CTR-ul unui anumit dispozitiv poate varia considerabil de la valoarea tipică a dispozitivului cu orice până la +/- 30%. În mod normal, producătorii vor cita o gamă de valori CTR pentru diferite tensiuni ale colectorului de fototranzistor de ieșire (VC) și diferite temperaturi ambientale (TA). de ore de funcționare). Deoarece CTR-ul unui optocuplator poate fi de așteptat să se reducă în timp, este o practică obișnuită să alegeți o valoare pentru IF oarecum mai mică decât cea maximă, astfel încât performanța dorită să poată fi atinsă pe durata de viață a circuitului.

Deși acest exemplu descrie proiectarea unei interfețe simple care leagă două circuite logice HCT, diferența dintre rezultatele obținute aici și cele necesare pentru orice alt optocuplator constă în faptul că se pot face calcule similare doar folosind date adecvate altor tensiuni și curenți și altor optocuploare.

Calculul valorilor rezistorului optocuplator

FIG. 5.2.2 CTR vs. Curent înainte pentru un PC817

Începutul procesului de proiectare este de a specifica condițiile de intrare și ieșire pe care optocuplatorul trebuie să le asocieze. Optocuploarele tipice pot gestiona curenții de intrare și ieșire de la câțiva microampuri la zeci de miliamperi. Există multe optocuploare pe piață și pentru a găsi cele mai potrivite pentru un anumit scop, ar trebui studiate cataloagele furnizorului și fișele tehnice ale producătorilor.

În acest caz, totuși, un optocuplor PC817 popular de la Sharp va utiliza tensiuni și curenți disponibili din logica HCT. Presupunând că o singură ieșire HCT alimentează doar acest optocuplator, se poate presupune o tensiune logică 1 de aproximativ 4,9 V.

Curentul de ieșire disponibil de la o poartă HCT pentru a acționa intrarea optocuplatorului este limitat la 4mA, care este destul de redus pentru conducerea unui optocuplator. PC817 trebuie să fie capabil să producă ieșirea necesară din acest curent de intrare redus.

Graficul din Fig. 5.2.2 arată, CTR-ul pentru un PC817 cu un curent direct de intrare (IF) de 4mA va fi în jur de 80 până la 150% permițând ± 30% pentru toate variabilele menționate mai sus). În mod ideal, optocuploarea ar trebui, în acest caz, să acționeze ca și cum ar fi invizibilă, adică poarta HCT conectată la ieșirea optocuplorului ar trebui să vadă un curent disponibil de până la 4mA, la fel ca și cum ar fi conectat la ieșirea unei alte porți HCT. Prin urmare, curentul de ieșire al PC817 trebuie să fie, de asemenea, ideal în jur de 4mA, curentul direct (IF) conducând LED-ul de intrare la 4mA (presupunând un CTR 100%).

După ce am găsit o cifră aproximativă pentru CTR, care sugerează că condițiile de intrare și ieșire ar trebui să fie similare, la 4mA, următoarea sarcină este să calculeze valorile R1 și R2.

Folosind datele din Tabelul 5.2.1 și presupunând o intrare de minim 4,9V până la 5V la ieșirea porții HCT, este posibil să se calculeze o valoare de rezistență adecvată pentru R1 în Fig. 5.2.3.

FIG. 5.2.3 Optocuplor HCT la HCT

Tensiunea înainte pe LED-ul cu infraroșu cu un curent direct de numai 4mA ar trebui să fie de aproximativ 1,2V

5V - 1,2V = 3,8V pentru a fi dezvoltat în R1

Prin urmare R1 = 3,8V ÷ 4mA = 950Ω

Folosind următoarea valoare a rezistorului preferată mai mare R1 = 1KΩ

Graficul CTR vs. DACĂ în FIG. 5.2.2 arată că în mod ideal CTR-ul pentru PC817 va fi de aproximativ 115% cu un curent direct de 4mA, ceea ce sugerează că curentul de ieșire opto ar trebui să fie de aproximativ 4mA x 115% = 4,6mA

Pentru a satura fototranzistorul și a produce o ieșire 0 (mai mică de 0,2V), R2 trebuie să dezvolte o tensiune de 4,9 la 5V când trece un curent de 4,6mA (presupunând o valoare CTR de 115%).

Prin urmare, R2 trebuie să fie de cel puțin 5V ÷ 4,6mA = 1087Ω sau R2 = 1,2kΩ (următoarea valoare preferată).

FIG. 5.2.4a Ieșire cu R2 = 1,2KΩ

Dacă se folosește o valoare mai mare de 1,2 KΩ, creșterea acestei valori cu câțiva kΩ ar putea asigura că ieșirea are oscilația maximă a tensiunii, totuși creșterea acestei valori reduce viteza cu care optocuplatorul poate răspunde la schimbări rapide de tensiune, datorită combinației a unei sarcini de rezistență ridicată și a unei capacități de joncțiune ridicate a fototranzistorului, ceea ce are ca rezultat o rotunjire a formei de undă de ieșire, așa cum se poate observa prin compararea formelor de undă din Fig. 5.2.4 a & b.

Ambele forme de undă prezentate au fost luate cu aceeași intrare, o undă pătrată cu o frecvență de 2kHz, dar cu două valori diferite pentru R2, 1,2kΩ în Fig. 5.2.4a și 10kΩ în Fig. 5.2.4b.

Efectul de rotunjire asupra timpului de creștere a impulsurilor poate fi văzut clar în Fig. 5.2.4b. De asemenea, la frecvențe mai mari, amplitudinea semnalului de ieșire scade semnificativ. Prin urmare, pentru cea mai bună performanță, valoarea R2 trebuie menținută cât mai scăzută posibil, dar peste 1kΩ.

FIG. 5.2.4b Ieșire cu R2 = 10KΩ

Performanța circuitului optocuplator care arată rezultatul utilizării valorilor calculate este prezentată în Fig. 5.2.4. Rețineți și efectul utilizării unui invertor Schmitt 74HCT14 la ieșire; orice rotunjire a impulsurilor pătrate este eliminată și, deși ieșirea optocuploarei cade doar la 0,18 V atunci când fototranzistorul satura, ieșirea porții Schmitt se schimbă de fapt între + 5 V și 0 v.

Adăugarea unui invertor Schmitt reinvertește și forma de undă de ieșire, care a fost o versiune inversată a formei de undă de intrare la colectorul fototranzistorului.

Există, desigur, aplicații mai utile pentru un optocuplator decât izolarea simplă a unui IC logic de altul. O problemă obișnuită este conducerea unei încărcări de la portul de ieșire al unui computer. Calculatoarele sunt scumpe și ușor deteriorate de greșelile făcute la conectarea lor la circuite externe. Problema este diminuată prin asigurarea faptului că circuitul extern este complet izolat de computer și un optocuplator precum PC817 este o soluție ieftină și eficientă (presupunând că nu există erori majore de utilizator).

FIG. 5.2.5 Circuitul de acționare a motorului PC817

Circuitul de acționare a motorului PC817

FIG. 5.2.6 ilustrează un exemplu tipic în care este necesar să se acționeze un motor de 12V DC care necesită 40mA de curent de la un circuit logic (sau un port tipic de computer) care poate suporta doar câțiva mA de curent la 5V sau mai puțin.

Deoarece curentul disponibil de la porturile tipice de intrare/ieșire a computerului poate fi de doar câțiva µA, întrucât liniile de port ale computerului sunt proiectate de obicei pentru a conduce un anumit tip de intrare logică, intrarea la acest circuit de acționare a motorului se face printr-o poartă de invertor HCT Schmitt necesită un curent de intrare de 1µA, motorul de 12V 40mA fiind acționat de un tranzistor 2N3904. LED-ul cu infraroșu optocuplator este acționat la aproximativ 4mA printr-un rezistor de 1kΩ de la ieșirea IC1. Deoarece CTR-ul PC817 este de aproximativ 115%, fototranzistorul poate furniza aproximativ 9mA, deoarece alimentarea la ieșirea fototranzistorului este acum preluată de la alimentarea cu motor de 12V. Aceasta este mai mult decât minimul de 5 mA necesar pentru a conduce 2N3904 în saturație. Este important ca tranzistorul să fie complet saturat pentru a reduce disiparea puterii în 2N3904 la un nivel minim, prin urmare, deși tranzistorul de curent (ICE) este de 40mA, va exista doar aproximativ 0,3V în tranzistorul saturat, astfel încât puterea disipată în tranzistorul va fi de 0,3V x 40mA = 12mW, iar disiparea maximă pentru 2N3904 este de 1,5W. Deși această interfață de bază permite doar pornirea sau oprirea motorului, ar putea fi ușor adaptată prin schimbarea IC1 pentru a include un control al vitezei modulate pe lățimea impulsului, fie de la un computer, fie hardware generat așa cum este descris în Oscilatoare Modulul 4.6.

Această interfață simplă are încă o caracteristică de siguranță; dioda D1 conectată de-a lungul motorului va preveni în mod eficient orice vârfuri EMF spate generate de sarcina inductivă (motorul) să provoace daune interfeței.