Вы когда-нибудь слышали слово «изоляция», особенно в электронике? Как вы могли догадаться, изоляция является ключевым фактором, когда речь идет об оптопарах. Изоляция иногда является обязательной, а иногда дополнительной функцией в схемах. Оптопары используются во многих электронных устройствах, от мобильной электроники до бытовой электроники.

Итак, в этой статье давайте узнаем больше об оптопарах, а также об их основах, типах, принципах работы, моделировании, демонстрации оборудования и демонстрации их применения в реальных схемах. Для наших демонстрационных целей мы будем использовать оптопару PC817, широко используемую в современной электронике.

Начнем наше пошаговое руководство с краткого объяснения принципа работы оптопары.

Также вы можете посмотреть на нашем сайте другую статью про оптопары, немного менее подробную чем эта, но в ней аспекты работы оптопар рассмотрены с немного другого аспекта. Возможно она тоже будет вам полезной в изучении оптопар.

Что такое оптопара?

Давайте разберемся с термином Оптопара (Optocoupler). Его можно разделить как OPTO + COUPLER. Итак, технически, согласно названию, она используется как соединитель с помощью какой-то оптической технологии. Короче говоря, источник света используется как связующее звено между двумя изолированными цепями.

Ее строгое определение звучит следующим образом:

«Оптопара, также известная как оптоизолятор, представляет собой электронный компонент, который передает электрические сигналы между двумя изолированными цепями с помощью света. Обычно она состоит из светодиода (светоизлучающего диода) и фотодетектора, например фототранзистора, размещенных в одном корпусе. Когда светодиод получает питание от входного сигнала, он излучает свет, который обнаруживается фотодетектором, который затем выдает выходной сигнал. Эта оптическая связь позволяет входным и выходным цепям оставаться электрически изолированными друг от друга, обеспечивая защиту от высоких напряжений и электрических помех».

Здесь я хотел бы добавить, что для изоляции чаще всего используется не только оптическая технология, но и электромагнитная индукция.

Где используются оптопары?

Обычно оптопары используются в цепях, где требуется изоляция между любыми двумя областями.

Например, давайте предположим, что мы работаем над проектом, в котором микроконтроллер типа Arduino UNO должен управлять лампой переменного тока. В этом случае первое, что придет на ум, — это модуль реле. Конечно, мы используем модуль реле, но знаете ли вы, зачем мы используем модуль реле, если даже симистор может выполнять ту же работу? Да, это изоляция. В случае с симистором существует вероятность попадания более высокого напряжения переменного тока в маломощную сеть постоянного тока, что, конечно, может сжечь микросхемы. Поэтому в подобном случае реле будет более подходящим вариантом. Но в этой статье нас беспокоит не реле, а оптопара.

Реле — это первый уровень защиты, а оптопара также используется между микроконтроллером и катушкой реле в качестве второго уровня защиты. Будучи электромеханическим компонентом, реле может со временем изнашиваться. В этом редком случае переменный ток может коснуться катушки электромагнита внутри реле, что снова создает путь для переменного тока, чтобы попасть в сеть постоянного тока. Вот где оптопара оказывается полезной и изолирует обе сети.

На самом деле, помимо реле, для прямого переключения симистора можно использовать некоторые типы оптопары.

Надеюсь, вы понимаете, как использовать оптопары. Далее давайте узнаем, почему оптопары по-прежнему являются предпочтительными для этой работы.

Почему оптопары предпочтительнее других вариантов?

Ответ прост. В отличие от других вариантов, нет возможности электрического соединения между разделенными областями даже в случае отказа системы. Такая возможность очень редка, например, если потенциал больше, чем напряжение изоляции между входом и выходом оптопары, которое составляет около 5000 вольт для оптопары типа PC817. Вот почему я сказал, что это редкость. Нет возможности разместить такую ​​маломощную электронику в такой высоковольтной области. Поэтому мы доверяем оптопарам больше, чем другим.

Теперь у вас должно быть четкое представление об оптронах. Давайте перейдем к интересной части того, как это работает.

Как работают оптопары?

Существует множество способов понять работу оптопары. Мне нравится сравнивать беспроводной пульт с оптопарой. Давайте рассмотрим это более подробно.

На приведенном рисунке вы можете видеть настройку [Выхода] пульта дистанционного управления автомобилем вместе с беспроводным пультом дистанционного управления [Входом]. У каждого есть отдельный источник питания, поэтому пульт дистанционного управления необходимо заряжать отдельно, и, аналогично, автомобиль также необходимо заряжать. Если ни один из них не заряжен, нет никаких шансов управлять автомобилем. Даже если возникнут какие-то проблемы с автомобилем, это не повлияет на пульт дистанционного управления, и наоборот. Это связано с тем, что между ними есть беспроводная технология передачи и приема. Общая работа будет затронута только в том случае, если какой-либо другой радиочастотный сигнал будет мешать существующей системе.

На анимированном GIF-файле ниже вы можете увидеть работу оптопары. Как и в машине с дистанционным управлением, оптопара имеет светодиод в качестве входа и фототранзистор в качестве выхода. Светодиод передает инфракрасные лучи, а фототранзистор принимает переданные инфракрасные волны на своей базе в качестве сигнала, который включает транзистор. Подобно машине с дистанционным управлением, функционирование оптопары может быть нарушено любыми внешними источниками света. Вот почему оптопара полностью герметична, чтобы избежать внешних световых помех. Помните, это объяснение использования машины с дистанционным управлением предназначено только для понимания концепции оптопары.

Вы можете задаться вопросом, есть ли внутри физическое соединение между входом и выходом, которое может вызвать какие-либо проблемы. Но не волнуйтесь, есть термин, известный как диэлектрическая прочность. Обычно материал, используемый для изоляции светодиода и фототранзистора, представляет собой непроводящую эпоксидную смолу, которая имеет диэлектрическую прочность Vmax = 20 кВ/мм. Итак, давайте предположим, что между ними есть зазор 0,25 мм, которому может потребоваться около 5000 вольт, чтобы начать проводить.

Типы оптопар

Оптопары можно в целом разделить на три категории: на основе их входа, выхода и функций. Давайте рассмотрим каждую из этих категорий более подробно.

Типы оптопар в зависимости от входа

Оптопары можно разделить на две категории в зависимости от типа входа: однонаправленный вход и двунаправленный вход, также известный как вход постоянного тока и вход переменного тока соответственно. Основное различие заключается в конфигурации светодиодов внутри оптопары.

• Однонаправленный (постоянного тока) вход: этот тип имеет один светодиод, который реагирует на ток, протекающий только в одном направлении.
• Двунаправленный (переменного тока) вход: этот тип оснащен двумя светодиодами, подключенными в противоположных направлениях (один инвертирован), что позволяет ему реагировать на ток, протекающий в любом направлении, что делает его пригодным для входных сигналов переменного тока.

Типы оптопар в зависимости от выхода

Здесь оптопары можно классифицировать по типу используемого выходного устройства. Некоторые из используемых выходных устройств: фотодиод, фототранзистор, фотодарлингтон, МОП-транзистор, тиристор и триак (симистор).

Оптопара с фотодиодным выходом:

В этом типе выход представляет собой прямой фотодиод. Эта оптопара широко используется в датчиках приближения, вращающихся энкодерах и фотопрерывателях.

На следующем рисунке показаны внешний вид и обозначение на схемах фотопрерывателя, используемого для измерения скорости вращающихся двигателей и во многих других приложениях.

Оптопара с фототранзисторным выходом:

Фототранзисторные выходные оптопары широко используются благодаря своей простоте и низкой стоимости. В этом типе оптопары фототранзистор интегрирован на выходе, что обеспечивает простой способ вывода выходного сигнала с устройства с помощью нагрузочного резистора.

На следующем рисунке приведены внешний вид и условное обозначение PC817 — широко используемого оптрона, в котором в качестве выходного устройства используется фототранзистор.

https://comComponents101.com/sites/default/files/comComponent_datasheet/PC817%20Datasheet.pdf

Оптопара с выходом фотодарлингтона:

Выходные оптопары фотодарлингтона используются, когда требуется более высокий коэффициент передачи тока (CTR). Этот тип оптопары включает в себя пару транзисторов фотодарлингтона на выходе.

На следующем рисунке показаны внешний вид и обозначение на схемах микросхемы IL221AT, оптопары с фотодарлингтоновским выходом, низким входным током, высоким коэффициентом усиления и базовым соединением.

https://www.vishay.com/docs/83617/il221at.pdf

Оптопара с выходом MOSFET:

Выходные оптопары MOSFET используются в приложениях, требующих высокоскоростного и эффективного переключения мощности. Эти оптопары включают MOSFET на выходе, что обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с другими типами оптопары, такими как высокоскоростное переключение, эффективность и устойчивость к шуму.

На следующем рисунке показана оптопара TLP222A, которая состоит из инфракрасного излучающего диода, оптически связанного с фото-MOSFET в корпусе DIP. Она подходит для использования в качестве управления включением/выключением для высокого тока.

https://www.farnell.com/datasheets/461023.pdf

Оптопара с выходом симистора и тиристора:

Выходные оптопары Triac & SCR известны своей потребностью в более мощном переключении и способностью запускать тиристор и триак (симистор) самостоятельно. Это удобно, когда нам нужно переключить устройство переменного тока с помощью симистора напрямую с микроконтроллера.

На следующем рисунке показаны внешний вид и обозначение на схемах оптопары MOC301XM/MOC302XM, которая содержит инфракрасный излучающий диод GaAs и активируемый светом кремниевый двусторонний переключатель, функционирующий как симистор. Они предназначены для сопряжения электронных элементов управления и силовых симисторов для управления резистивными и индуктивными нагрузками.

https://www.farnell.com/datasheets/3929882.pdf

Теперь давайте поближе познакомимся с оптопарой PC817, одной из самых распространенных оптопар в современных электронных проектах.

Оптопара PC817

Распиновка микросхемы PC817

На изображении выше показана распиновка оптопары PC817, с четким объяснением каждого контакта. В следующей таблице приведено описание контактов оптопары PC817.

Номер контакта	Назначение контакта	Описание
1	Анод	Анод светодиода
2	Катод	Катод светодиода
3	Эмиттер	Эмиттер фототранзистора
4	Коллектор	Коллектор фототранзистора

Давайте рассмотрим некоторые важные характеристики PC817.

Технические характеристики PC817

Вот краткая таблица технических характеристик оптопары PC817:

Сначала давайте рассмотрим входные параметры, начиная со стороны анода и катода. Рассмотрим его как простой светодиод. Как и светодиод, он имеет прямое напряжение (Vf) и прямой ток (If), как показано выше. Используя их, мы можем рассчитать подходящий резистор для использования последовательно со стороной входа. Убедитесь, что вы помните о полярности, поскольку ИК-светодиод внутри имеет очень низкое обратное напряжение около 6 В, что может навсегда повредить светодиод.

Выходная часть, состоящая из эмиттера и коллектора, может рассматриваться как транзистор. Как транзистор, он имеет максимальный ток коллектора 50 мА и более высокий диапазон напряжения коллектор-эмиттер максимум 80 В. Другим важным фактором, который следует учитывать, является частота, с типичной частотой среза 80 кГц. Таким образом, у него тоже есть свои ограничения.

Наконец, рабочая температура составляет от -30 до +125 ˚C, а температура хранения должна быть от -55 до +100 ˚C. Во время пайки вы можете достичь максимальной температуры 260˚C в течение 10 секунд на контактах PC817. Если условия превышают эти ограничения, PC817 выйдет из строя изнутри.

Симуляция оптопары PC817 в Proteus

В этом разделе моделирования мы более подробно рассмотрим работу оптопары PC817, начав с ее простого базового моделирования.

На схеме выше вы можете увидеть метод прямого выхода. Здесь R1 — это резистор ограничения тока для ИК-светодиода внутри PC817, а кнопка подключена между R1 и положительным источником питания. R2 — это нагрузочный резистор, который позволяет вам управлять усилением напряжения и частотной характеристикой напрямую, регулируя этот резистор. Выход подключен напрямую к светодиоду через R3, замыкая цепь. При нажатии кнопки выходной светодиод выключается.

Состояние входа	Состояние выхода
ВЫСОКИЙ	НИЗКИЙ
НИЗКИЙ	ВЫСОКИЙ

В таблице выше вы можете увидеть разницу в логическом состоянии между входом и выходом для прямого метода. Теперь перейдем к следующему методу, методу инвертированного выхода.

В инвертированном методе все то же самое, за исключением Q1, который является PNP-транзистором, используемым для инвертирования выхода оптопары, гарантируя, что состояние выхода соответствует состоянию входа. В следующей таблице выше вы можете увидеть разницу в логическом состоянии между входом и выходом для инвертированного метода.

Состояние входа	Состояние выхода
ВЫСОКИЙ	ВЫСОКИЙ
НИЗКИЙ	НИЗКИЙ

Поскольку сигнал инвертируется PNP-транзистором Q1, логические состояния входа и выхода прямо пропорциональны.

Далее у нас есть бонусная симуляция реального релейного модуля, доступного на рынке.

Здесь инвертированный выход Q2 подключен к одной стороне катушки реле, а другая сторона заземлена. Диод подключен параллельно катушке реле для защиты цепи от обратной ЭДС, а светодиод также подключен параллельно выходу для индикации.

На выходе выключатель лампочки переменного тока подключен к нормально разомкнутым (NO) и общим (COM) клеммам реле. Таким образом, при нажатии кнопки реле включается вместе с лампочкой переменного тока, как показано на GIF-изображении выше.

Демонстрация аппаратной части оптопары PC817

Ниже вы можете увидеть демонстрацию оборудования оптопары PC817.

В этой демонстрации оборудования применяется метод прямого выхода. Выбор различных источников питания поможет вам лучше понять его работу. Здесь есть два различных источника питания, один для входной стороны, а другой для выходной. Вы можете видеть, что обе стороны идеально изолированы на макетной плате.

Вы можете задаться вопросом о том, чтобы взять выход напрямую с оптопары, управляя выходом в методе источника или стока, который не инвертирует сигнал. Да, он не инвертирует сигнал, но этот метод не рекомендуется в техническом описании, даже если он требует меньшего тока, чем максимальный ток коллектор-эмиттер 50 мА. Однако, если вы уверены в своей схеме, вы можете действовать таким образом.

При нажатии кнопки светодиод гаснет. Это демонстрирует концепцию прямого выхода.

Как проверить оптопару?

Тестирование оптопары гораздо проще и легче, чем вы могли бы подумать. Есть много способов сделать это, которые мы обсудим далее.

Тестовая схема для оптопары

Этот метод предпочтителен для профессионалов, которым необходимо убедиться, что компонент соответствует своим конкретным требованиям и работает правильно в предполагаемом приложении. Однако, если вы любитель, вы можете пропустить этот раздел и перейти к нашему следующему методу, где вам понадобится только мультиметр для выполнения процесса.

Вы можете найти тестовую схему в техническом описании соответствующего выбранного вами оптрона. В нашем случае это PC817. Если вы изучите его техническое описание, вы найдете две тестовые схемы: одну для проверки времени отклика и другую для проверки частотной характеристики. Эти два метода тестирования требуют функционального генератора и осциллографа.

На рисунке выше представлена ​​тестовая схема для проверки времени отклика оптопары PC817. Здесь прямоугольная волна требуемой частоты подается в качестве входа на анодную сторону оптопары через токоограничивающий резистор Rd. Входная прямоугольная волна проверяется с использованием выходного сигнала, полученного между нагрузочным резистором Rl и коллектором оптопары. Эта входная и выходная волна сравниваются одновременно с помощью двухканального осциллографа, и отклонение во времени отклика может быть легко обнаружено и классифицировано.

На рисунке выше представлена ​​тестовая схема для проверки частотной характеристики оптопары. Как вы можете видеть, аппаратная настройка та же, что и выше. Единственное отличие в том, что частота входного сигнала регулируется, и вы можете использовать приведенный выше график для проверки результатов. Вы можете отрегулировать сопротивление нагрузки, чтобы установить усиление на требуемую величину. Вот как мы можем проверить работу с помощью тестовой схемы, приведенной в техническом описании.

Теперь давайте рассмотрим самый простой и доступный способ проверки оптопары.

Использование мультиметра для проверки оптопары

В этом методе концепция проста: вы будете рассматривать входную сторону (анод и катод) как диод, а выходную сторону (коллектор и эмиттер) как транзистор. Итак, следующий шаг прост. Да, мы оставляем мультиметр в диодном режиме и проверяем вход оптопары как при прямом, так и при обратном смещении следующим образом.

На рисунке выше вы получите следующие результаты. При прямом смещении вы должны увидеть напряжение около 1 В с допустимым допуском ±0,1 В. При обратном смещении вы не должны получить напряжение, поэтому на мультиметре должно отображаться «OL», что указывает на отсутствие тока. Это проверяет входной инфракрасный светодиод. Если есть какие-либо отклонения, проблема может быть со стороной светодиода.

Далее нам нужно определить значение сопротивления для подключения к аноду оптопары. Вы можете использовать любой доступный вам бесплатный инструмент для расчета сопротивления светодиодов, чтобы узнать требуемое значение сопротивления. Проверьте характеристики используемой вами оптопары или используйте данные ниже для PC817, чтобы заполнить поля ввода в инструменте. Как только у вас будет значение, если у вас нет точного резистора, используйте комбинацию последовательных и параллельных резисторов, чтобы приблизить его. Допустимо немного большее значение.

В моем случае приведенный калькулятор рассчитал резистор на 190 Ом, но я использую резистор на 220 Ом, что достаточно близко. Теперь выполните следующие шаги:

Прямое смещение коллектора-эмиттера оптопары при подключенном входном питании:

• Подайте питание на входную сторону оптопары, подключив рассчитанное сопротивление последовательно с анодом и обеспечив напряжение 5 В. Подключите катод к земле.
• Установите мультиметр в режим сопротивления. Подключите положительный провод к коллектору, а отрицательный провод к эмиттеру. Измеренное значение сопротивления должно быть ниже 100 Ом. В моем случае оно составило 90 Ом. Измеренное сопротивление пропорционально мощности, подаваемой на инфракрасный светодиод. Для корректных расчетов значение должно быть ниже 100 Ом. Если оно превышает 100 Ом и переходит в диапазон килоом, может возникнуть проблема.

Без питания входной стороны:

• Сопротивление должно быть «OL». Если оно показывает значения в диапазоне Ом или килоом, возможно, в транзисторной части произошло короткое замыкание.

На этом процесс тестирования завершен, и теперь вы должны понимать, как проверить оптопару с помощью мультиметра.

27 просмотров