Цифровая электроника: оптрон

Автор: elremont от 31-03-2014

 

В этом видео я рассмотрю оптрон, который еще часто  называют опто-развязкой. И мы покажем, как они могут быть использованы для разделения двух электрических цепей друг от друга. Также я покажу вам, как они могут быть использованы для управления большим током светодиодной лампы с помощью Arduino, но защищая Arduino, если что-то пойдет  не так. Я буду работать с оптроном Fairchild 617А. Это маленькое полезное устройство, оно позволяет передавать сигналы между двумя контурами, при этом контуры электрически изолированы друг от друга. Это довольно дешевое устройство. Этот стоит около 9 центов, и оно может быть полезно, если вы подключаетесь к какому либо дорогостоящему оборудованию, например к вашему ноутбуку. Если в схеме произойдет авария, то дорогостоящее оборудование не будет повреждено. Они также могут быть использованы для двух цепей и на разных значениях напряжения. Например, Arduino управляет симистором схемы на 5 вольт, который переключает 240 В переменного тока, оптрон позволит изолировать Arduino от перенапряжений при пробое. В  эксперименте 617 мы использовали его для защиты от 5.3 киловольт, что более чем достаточно для всего, что мы увидим в этих экспериментах. Итак оптроны  это цифровые коммутационные устройства. Они полезны для передачи двоичных сигналов. Но цифровые данные мы можем использовать и для передачи аналоговых сигналов, например с помощью широтно-импульсной модуляции. Позже мы покажем это на небольшом примере  управления светодиодом. Итак, как это работает? Хорошо, оптрон использует светодиод с фототранзистором, которые разделены изолирующей пленкой в кремниевом колпачке. Когда ток течет через светодиодный излучатель (красный слой на рисунке), затем свет падает на фотодетектор транзистора (зеленый слой на рисунке), и позволяет течь току между коллектором-эмиттером фототранзистора. Поэтому, когда свет не падает на фототранзистор, между переходом коллектор-эмиттер нет тока. Таким образом электрическое соединение между одной стороной и с другой, и соответственно сигнал, передается только с помощью света. Есть много различных типов оптронов и вы выбираете тот, который подходит вашей схеме. Наиболее важные параметры при выборе опттрона это: во-первых коэффициент передачи тока, разница между текущим изменением выходного тока и текущим изменением входного, вызвавшего его. Мы также называем это передаточной характеристикой. Для Fairchild 617А  коэффициент передачи тока, составляет от 40 до 80% в зависимости от прямого тока. Мы можем использовать этот коэффициент для настройки входного тока для управления выходным током. Однако коэффициент поддерживается только в определенном диапазоне температур. Проверьте даташит на оптрон, чтобы увидеть, как это влияет на устройство. Второй важный параметр оптрона -  это время переключения или пропускная способность. Это самая высокая частота сигнала, которая может быть передана через оптопару. 617 работает без насыщения до 250 килогерц, что не так быстро и может быть ограничивающим фактором, если ваши схемы требуют высокую пропускную способность для передачи сигналов от одной схемы к другой. Третий параметр это величина напряжения коллектор-эмиттер. Это предел напряжения питания выходной цепи. Для 617А предел максимум 70 вольт. Четвертый параметр это входной ток, мы используем его в наших схемах для вычисления сопротивления резистора на входной стороне. Как правило, это около 10 миллиампер. Наконец, вы должны проверить ток коллектор-эмиттер на стороне приемника. Для 617А это не более 50 мА. Также мы можем поставить диод на входе для защиты устройства от обратного напряжения. Это оптрон имеет максимальное обратное напряжение 6 вольт, а значит в нем нет необходимости, как мы имеем дело с  5 вольтами. Так что даже если мы перепутаем контакты, все будет в порядке. Если это необходимо, то лучше купить FOD814 или подобный, он может работать с любой полярностью. Такой оптрон оснащен парой светодиодов, ориентированных в разных направлениях. Вот первая схема, которую я собрал для демонстрации использования оптопары. Обратите внимание на важный момент в этой схеме, в ней есть два источника питания, которые не связаны друг с другом. Первый из них это Arduino, который питается от кабеля USB идущего к компьютеру, а второй это сетевой блок питания, которая питает правую сторону на рисунке. Эта схему  я собирал в предыдущем видео. Итак входная сторона (ножки на верхней части оптопары) питается от Arduino, и выходная сторона, (это ножки в нижней части оптопары как мы видим на картинке) питается от сетевого блока питания. В этой установке можно увидеть установленное сопротивление 470 Ом последовательно с входом, и резистор 100 Ом последовательно с голубым светодиодом на выходной стороне оптопары. Так на рисунке вы можете видеть, что для оптрона выбрано значение тока управления  через излучающую сторону оптопары около 10 мА. Входная сторона подключается к контакту 13 на Arduino и на общую шину Arduino, но это не заземление на нашем макете. Вы можете увидеть, что на выходе, ограничительный резистор выбирается исходя из параметров синего светодиода, это прямое напряжение 3,5 В при прямом токе 20 мА проходящим через него, поэтому необходимо сопротивление 75 Ом. В этой схеме я поставил 100 Ом, так как под рукой это было самое близкое сопротивление. Входная сторона подключена к шине 5 вольт на плате, а земля подключена к катоду светодиода через общую шину платы. Теперь мы можем испытать схему, например помигать с помощью Arduino. Мигание задается в самой программной среде Arduino. У нас есть пример "file/example/basics/blink ", который мы здесь используем. Таким образом, в этой части кода, контакт 13 настроен как выход, а затем в функции цикла мы выставили 13 ножку на высокое напряжение в течение одной секунды, а затем на низкое в течение одной секунды. Так как это бесконечный цикл, включение и выключение повторяется снова и снова. Также вы можете видеть, что есть светодиод на плате присоединенный к контакту 13  Arduino, он мигает синхронно со светодиодом на выходной стороне оптопары. Если мы выключим питание на выходной стороне оптопары, то мы увидим, что выходной светодиод не мигает, но Arduino находится во включенном состоянии и светодиод на выводе 13 продолжает мигать. Если мы вернем питание, то мы видим, что он начинает мигать снова. Итак, еще раз, очень важно отметить, что нет физической связи между Arduino и макетной платой в этой схеме. С оптопарой мы также можем использовать широтно-импульсную модуляцию. ШИМ предполагает включение и выключение входа для различных нужд. Оптрон передает двоичный сигнал, включаясь или выключаясь, этот метод отлично будет работать для нас. Термин рабочий цикл или скважность здесь на этом рисунке показывает соотношение времени, когда сигнал включен относительно общего времени периода. Если сигнал имеет скважность 100% это означает, что это всегда включен. Если скважность  0% это означает, что сигнал всегда выключен. Так что, если мы говорим, что сигнал имеет скважность 50%, что только половину времени сигнал есть. Если бы вы измеряли быстро меняющейся сигнал с коэффициентом заполнения 50%, используя вольтметр, то вы получили бы в среднем 2,5 вольт. Он не дает представления, что именно происходит, вам придется использовать осциллограф, чтобы увидеть реальный эффект. Широтно-импульсная модуляция идеально подходит для управления светодиодов, где падение напряжения на светодиоде полностью зависит от тока, протекающего через него. Способ использование ШИМ для управления светодиодами на высокой частоте отличается очень низким энергопотреблением. Чем выше коэффициент заполнения, тем ярче будет гореть индикатор. И при режиме 50% светодиод  половину периода времени включен и половину периода времени выключен. Но при продолжительности включения 50%,  люди не смогут увидеть мерцания, так как частота слишком высока. Еще раз, я собираюсь использовать Arduino для управления этой схемой. Пример для управления светодиодом с помощью ШИМ от Arduino лежит в "Exampes/analogue/fading ".  В этом случае мы должны использовать один из цифровых выводов, который способен к ШИМ на Arduino. На моем Arduino это ножки 5-6-9-10 и 11, это отмечено на поверхности платы. Этот пример использует ножку 9, и вы увидите, что мы пишем значение для выводу с помощью функции  "analog write ". Выходному контакту можно присвоить значение от 0 до 255 , где ноль представляет собой скважность ноль процентов. и 255 скважность 100%
В этом примере кода мы увеличиваем от 0 до 255 с шагом 5 и задержкой в 30 миллисекунд на каждом шаге, чтобы светодиод плавно загорался, а затем в следующем цикле мы уменьшаем от 255 до нуля с шагом 5 с задержкой 30 миллисекунд на каждом шаге чтобы плавно погасить светодиод. Так на примере нашего оптрона я показал, как это коммутационное устройство может использоваться для изменения нагрузки даже при использовании ШИМ. Я упоминал ранее, что мы можем использовать оптопару для управления цепью, с другим уровнем напряжения. Мы могли бы использовать для этого другие устройства, например реле вместо оптопары. Тем не менее, реле большие, более дорогие, они гораздо медленнее, они склонны к механическим неисправностям и требуют гораздо большего тока для  коммутации. В этом случае я собираюсь управлять схемой, работающей от 12 вольт постоянного тока, но это всего лишь пример. Вы могли управлять более высокими напряжениями. 617А может переключать выходы на 70 вольт с максимальным током коллектор-эмиттер 15 миллиампер, эти ограничения мы рассмотрим чуть позже. Первым делом адаптируем наше питание, чтобы получить 12 вольт постоянного тока. Я сделаю это, используя схему, которая было разработана в предыдущем видео., Она использует регулятор напряжения, диод, предохранитель и кнопку включения / выключения. Я изменил эту схему использовав  LM7812C, это регулятор напряжение 12В вместо 7805, который является регулятором 5V напряжения. Я заменил зеленый светодиод красным светодиодом. Я помню, что это источник на 12 В, и я должен выбрать новый ограничительный резистор для этого светодиода. Мы выбираем это сопротивление  с помощью уравнения LED = (V-VF) / IF, то есть напряжение питания минус прямое напряжение светодиода деленные на прямой ток светодиода. В данном случае это (12V-2.6V) / 0,030 ампер. Таким образом, мы находим, что для этой схемы подходит резистор 330 Ом. Вот моя окончательный схема, которая использует светодиод 12V. Таким образом, питание 12В на выходной стороне оптопары управляется Arduino на входной стороне оптопары. В этом случае мы используем широтно-импульсную модуляцию, как и раньше, но на этот раз мы используем ее в разных напряжениях. Итак все отлично работает, мы можем управлять модулем 12V на выходе оптрона  с входом 5V через ШИМ.
Опять же, мы должны выбрать токо ограничительный резистор на верхней части платы, чтобы убедиться, что ток, который проходит через коллектор-эмиттер на приемной стороне оптопары останется менее  50 миллиампер. Это может ограничивать применение, и мы увидим, что в следующем примере светодиод, которым мы хотим управлять, потребляет до 350 миллиампер, но мы ограничим ток до 35 миллиампер, а потом попробуем увеличить ток до 75 миллиампер. Вот моя окончательная схема. Я использую светодиод XR-C 56.8. Это достаточно мощный белый светодиод. У него прямое напряжение 3,5 В при прямом токе 350 миллиампер. Здесь я припаял два провода к положительной и отрицательной стороне светодиода. Это было трудно, эти контакты не предназначены для пайки проводов. Модуль также может быть куплен на звездочке, которая делает его гораздо проще в использовании. Светодиод стоит около 2 евро, но оптом это дешевле. Для управления этим светодиодом, с током большим, чем 50 мА, мы не можем использовать только один оптрон. Поэтому мы должны применить схему, которая использует биполярный транзистор - "BJT" управляющий более высоким током. В этом случае, с целью пропустить около 80 миллиампер через светодиод, я возьму BC547B. Это NPN-транзистор, у которого максимальный ток коллектор-эмиттер около 100 мА. BJTs регулирует величину тока протекающего через него пропорционально величине напряжения смещения, приложенного к их базовому контакту. Оно действуют как ключ управления током. Так что, если мы захотим, перейти на больший ток, чем этот, нам потребуется другой транзистор. Я поставил резистор 10 кОм на базу этого транзистора. Он в насыщении или полностью включен, когда напряжение между базой и эмиттером превышает 0,7 вольт. И закрыт или полностью выключен, когда напряжение между базой и эмиттером меньше 0,7 вольт. Так небольшой ток, поступающий через приемник оптрона, точнее через его коллектор-эмиттер, достаточен для переключения большего тока через коллектор-эмиттер в BC547BJT. Если бы мы измерили этот ток, то мы увидели бы около 77 миллиампер и очень яркий светодиод. На самом деле авто-усиление камеры делает картинку  на этом видео ярче, чем на самом деле. Эти светодиоды имеют удивительную эффективность. В этой схеме в 77 миллиампер мы только достигли около 25% светового потока от того, который доступен на этом светодиоде, или около 14 люменов из 58,6 лм возможных. Мой источник питания не подходит для управления таким постоянным током 350 миллиампер. Единственное, что следует быть осторожным при управлении большим током, обратите внимание на номинальную мощность токоограничивающего резистора, подключенного к мощным светодиодам. Мои резисторы это обычные резисторы на 0,25 Вт, и даже если мы будем управлять током 80 миллиампер с резистором 47 Ом, то получим мощность равную квадрату прямого тока умноженное на сопротивления. Так вот 80 миллиампер в квадрате умноженные на 47 Ом это около 0,3 ватта, что больше, чем номинал 0,25 ватт. И повторяя пройденное, существуют различные типы основных оптопар. Я использую 4-контактный вариант, это простейший тип. Есть версии, которые могут иметь вход переменного тока, с  двумя диодами встречной полярности, и есть также оптопары с очень высоким коэффициентом передачи тока, которые основаны на транзисторной паре Дарлингтона на выходе. Они имеют коэффициент усиления около 2000%, но имеют значительно более низкое время переключения, примерно в 10 раз  меньше. Чтобы быть в курсе, есть новые цифровые развязки на CMOS основе, которые используют радиочастоты и изолирующий промежуток. Цифровой магнитно-изолятор может работать намного быстрее, но гораздо дороже. Он стоит приблизительно 2,70 евро за 2-канальную 8 наносекундную развязку, которая обладает значительно большей скоростью передачи данных, около 100 мегабит в секунду.
_