Как работает оптопара в импульсном источнике питания
Обновлено: 28.06.2024
Этот импульсный источник питания был создан для питания цифровой камеры. Потребляемый ток этой камеры составляет около 0,6 А и 1,3 А в пике (заряд вспышки). Для этой цели, конечно, можно было бы использовать классический линейный источник, например, на LM317, но КПД был бы немногим более 30% с тяжелым трансформатором и стабилизатором с сильно греющимся радиатором. Этот импульсный блок питания является гораздо более элегантным решением. В интернете много схем импульсных блоков питания с 3842, вспомогательными транзисторами или как минимум бесчисленным количеством ненужных компонентов. На приведенной ниже схеме показана очень простая схема небольшого импульсного источника питания с одним транзистором и оптопарой. Импульсный блок питания без оптопары с косвенной стабилизацией был бы еще проще, но его выходное напряжение недостаточно стабильно. Этот импульсный источник питания работает как обратноходовой преобразователь. Принцип прост: после подключения питания базовый резистор 1M 1W частично открывает транзистор. Он индуцирует положительное напряжение на вспомогательной обмотке (8 витков) и транзистор полностью открывается. Когда конденсатор 2n2 разряжается, транзистор закрывается и напряжение, наведенное на вторичной обмотке, заряжает электролитический конденсатор фильтра. Когда конденсатор 2n2 снова заряжается, транзистор вновь открывается и все повторяется. Когда желаемое напряжение, заданное резистивным делителем 3к3 и 10к, размыкает цепь TL431, начинает светиться светодиод в оптроне и фототранзистор ограничивает ток на базу транзистора. Это уменьшает рабочий цикл ШИМ и уменьшает энергию, подаваемую на трансформатор. Такой способ стабилизации очень эффективен, при полной нагрузке напряжение падает не более чем на 0,01 В. Этот импульсный блок питания не может работать без нагрузки, поэтому для устранения этой проблемы подключен выходной нагрузочный резистор 33R. Стабилитрон защищает питаемое устройство от перенапряжения в случае отказа стабилизации. Вместо этого вы можете использовать другой способ защиты от перенапряжения, например, с SCR. Конденсатор 68n обеспечивает подавление электромагнитных помех, сопротивление 10R уменьшает пусковой ток при включении. Изменение емкости 2n2 может повлиять на рабочую частоту. Печатная плата должна располагаться так, чтобы первичная (сетевая) и вторичная секции находились достаточно далеко друг от друга.
Трансформатор намотан на ферритовом сердечнике ЭЭ с эффективным сечением 0,5 см 2 . Сначала наматывается первая половина первичных витков, т.е. 40 витков. Проволока имеет диаметр около 0,2 - 0,3 мм. Затем наматывают не менее 8 слоев изоляционной ленты. Затем вторичные катушки. В целях безопасности я использовал провод с толстой изоляцией, с которым всего 4 витка не проблема. Затем снова следуют 8 слоев изоленты. Кроме того, вспомогательная обмотка 8 витков намотана тем же проводом, что и первичная. Потом снова изолирующий слой, который может быть не таким прочным. Наконец, намотаны остальные 40 витков первичной обмотки. Потом снова несколько слоев утеплителя. Между половинками сердечника уложен один слой изоляционной ленты для образования воздушного зазора, предотвращающего насыщение сердечника. Наконец, сердцевина таковой заклеивается клеем.
Этот импульсный блок питания, конечно, может быть модифицирован для различных выходных напряжений, просто измените количество вторичных витков (примерно 1 виток соответствует 1 В), резистор 39R изменяется примерно на 10R для каждого 1 В, а стабилизированное выходное напряжение регулируется с помощью изменив резистор 3к3 так, чтобы при требуемом напряжении делитель давал 2,5 В на входе TL431. Стабилитрон выбирается немного большим, чем выходное напряжение. Выпрямительный диод должен иметь обратное напряжение не менее чем в 8 раз превышающее выходное напряжение. Поэтому для более высоких напряжений замените диод Шоттки быстрым диодом, поскольку диоды Шоттки всегда имеют низкое номинальное обратное напряжение. Разумеется, выходной электролит должен быть рассчитан на достаточное напряжение.
Внимание! Импульсный блок питания не для новичков, так как большинство его цепей подключены к фатальному сетевому напряжению. При плохой конструкции сетевое напряжение может достигать выхода! Конденсаторы могут оставаться заряженными до опасного напряжения даже после отключения от сети. Все вы делаете на свой страх и риск, за любой вред здоровью или имуществу я ответственности не несу.
Схема импульсного блока питания 3,4В 2,5А с оптопарой.
Начинаем наматывать первую половину первичной обмотки.
Вторичное.
Вспомогательная обмотка.
Вторая половина праймериз.
Завершенный трансформатор и сердечник.
Начинаем делать доску.
Готовая печатная плата.
Работа SMPS.
А после встроенного в коробку от сломанного универсального адаптера розетки. (Добавлен светодиод с резистором 150R)
Оптопары, также известные как оптоизоляторы, оптопара или фотоэлектрическая муфта.
Это устройство, передающее электрические сигналы с помощью света. Осветитель (инфракрасный светодиод) и фоторецептор (светочувствительная полупроводниковая трубка) обычно упаковываются в один и тот же корпус
Когда на входную клемму подается питание, светоизлучающий диод излучает свет, а фототранзистор генерирует световой ток после получения свет, выходящий из выходного конца, благодаря чему достигается преобразование «электроопто-электро». Типичная схема применения показана на рисунке 1.
Каковы характеристики оптронов
Типовая схема оптрона на основе анализа TLP521,PC817
В моделях оптопар с обратной связью обычно используются TLP521, PC817 и т. д. Jotrin Electronics limited возьмет TLP521 в качестве примера, чтобы представить характеристики оптронов.
На рисунке 2 показана внутренняя структура оптопары и схема выводов.
Первичная сторона TLP521 аналогична светодиоду.< /p>
Чем больше первичный ток If, тем сильнее интенсивность света и тем больше ток Ic вторичного транзистора.
Отношение тока вторичного триода Ic к току первичного диода Это называется текущим коэффициентом усиления оптопары, который изменяется в зависимости от температуры и сильно зависит от температуры.
Оптопара, которая используется для оптопары обратной связи, использует принцип «изменение первичного тока вызовет изменение тока вторичной стороны». изменить" Затем добиться эффекта обратной связи. Поэтому в случае резких перепадов температуры окружающей среды, поскольку температурный дрейф коэффициента усиления относительно велик, следует избегать достижения обратной связи через оптопару.
Кроме того, Jotrin Electronics limited напоминает всем что при использовании таких оптронов необходимо обращать внимание на конструкцию периферийных параметров, чтобы она работала в относительно широкой линейной полосе, иначе схема будет слишком чувствительна к рабочим параметрам, что не способствует стабильной работе схемы.
TL431 обычно выбирается для обратной связи в сочетании с TLP521. В настоящее время принцип работы TL431 эквивалентен усилителю ошибки напряжения с внутренним опорным напряжением 2,5 В (выходное напряжение сравнивается с усилением ошибки, а затем напряжение выборки контролируется фотоэлектрической связью для управления длительностью импульса). соотношение для достижения цели стабилизации напряжения) Следовательно, между 1-й и 3-й ножками должна быть подключена компенсационная сеть. На рисунке 2 показана распиновка и схема подключения TL431.
Рисунок 3. Первое соединение для оптопара обратной связи
Общая оптопара обратной связи является первым соединением. Vo — выходное напряжение, а Vd — напряжение питания микросхемы. Сигнал связи подключается к выходному контакту усилителя ошибки микросхемы.
Обратите внимание, что земля слева — это земля выходного напряжения, а земля справа — напряжение питания микросхемы. Они изолированы оптопарами.
Принцип работы соединения, показанного на рис. 3, следующий: при повышении выходного напряжения напряжение на контакте 1 TL431 (соответствующем усилителя ошибки возрастает), а на выводе 3 (соответствует выходному выводу усилителя ошибки напряжения) падение напряжения, первичный ток If оптопары TLP521 увеличивается, выходной ток Ic другого конца оптопары увеличивается, падение напряжения на резисторе R4 увеличивается, напряжение компа уменьшается, скважность уменьшается, выходное напряжение уменьшается. И наоборот, при уменьшении выходного напряжения процесс регулировки аналогичен.
В виде более высокого потенциала, чем инвертирующий вывод, используется одна из характеристик операционного усилителя.Когда выходной ток операционного усилителя слишком велик (выходит за пределы выходного тока операционного усилителя), выходное напряжение операционного усилителя будет уменьшаться, и чем выше выходной ток, тем больше будет падать выходное напряжение. Поэтому Jotrin Electronics limited заявила, что схема этого метода подключения должна соединять два входных контакта усилителя ошибки микросхемы ШИМ (широтно-импульсной модуляции) с фиксированным потенциалом, а потенциал того же направления должен быть выше, чем обратный. направление. Потенциал клеммы делает начальное выходное напряжение усилителя ошибки высоким.
Принцип работы соединения, показанного на рисунке 3, таков: когда выходное напряжение возрастает, первичный ток If увеличивается, а выходной ток Ic увеличивается. Так как Ic превышает выходной ток усилителя ошибки напряжения, напряжение компа падает. Скважность уменьшается, а выходное напряжение уменьшается; и наоборот, при уменьшении выходного напряжения процесс регулировки аналогичен.
Третье общее подключение для оптопары обратной связи показано на рис. 4. В основном это подключение аналогично первому, отличие состоит в том, что дополнительный резистор R6. Функция этого резистора заключается в подаче дополнительного тока на TL431, чтобы предотвратить правильную работу TL431 из-за слишком малого тока подпитки. Фактически, если значение сопротивления R3 выбрано надлежащим образом, резистор R6 можно исключить. Процесс настройки в основном соответствует первому соединению.
Четвертое обычное соединение показано на рисунке 4. Способ соединения аналогичен второму способу соединения. Отличие состоит в том, что резистор R4 подключен между клеммой com и контактом 4 оптрона, и его функция соответствует резистору R6 в третьем способе подключения, а принцип работы подобен второму подключению
Рисунок 4 Третье общее подключение оптрона обратной связи
Режимы обратной связи 1, 3 применимы к любой скважности (отношению времени включения к циклу), а режимы обратной связи 2 и 4 более подходят для использования в случае, когда коэффициент заполнения относительно невелик.
Краткое изложение статьи
Jotrin Electronics резюмирует, что оптопара импульсного источника питания в основном изолирована, обеспечивая сигналы обратной связи и функции переключения. Питание оптрона в схеме импульсного питания осуществляется от вторичного напряжения высокочастотного трансформатора. При выходе напряжения ниже напряжения стабилитрона включается сигнальная оптрон, а коэффициент заполнения увеличивается для увеличения выходного напряжения; Выключение оптопары уменьшает рабочий цикл, что приводит к уменьшению выходного напряжения. При перегрузке вторичной нагрузки высокочастотного трансформатора или неисправности схемы переключателя питание оптопары отсутствует. Оптопара предотвращает запуск цепи переключателя, тем самым защищая трубку переключателя от поломки и возгорания.
TOSHIBA TLP521-1, -2 и -4 состоят из фототранзистора, оптически связанного с инфракрасным излучающим диодом на основе арсенида галлия.
TLP521-2 предлагает два изолированных канала в пластиковом DIP-корпусе с восемью выводами, а TLP521-4 — четыре изолированных канала в шестнадцатипластиковом DIP-корпусе.
Оптопара (также называемая оптоизолятором) — это полупроводниковое устройство, позволяющее передавать электрический сигнал между двумя изолированными цепями. В оптроне используются две части: светодиод, излучающий инфракрасный свет, и светочувствительное устройство, улавливающее свет от светодиода. Обе части заключены в черный ящик с контактами для подключения. Входная цепь принимает входящий сигнал, независимо от того, является ли он переменным или постоянным, и использует этот сигнал для включения светодиода.
Фотодатчик — это выходная цепь, которая улавливает свет. В зависимости от типа выходной цепи выходной сигнал будет переменного или постоянного тока. Ток сначала подается на оптопару, заставляя светодиод излучать инфракрасный свет, пропорциональный току, проходящему через устройство. Когда свет попадает на фотодатчик, по нему проходит ток, и он включается. Когда ток, протекающий через светодиод, прерывается, ИК-луч отключается, в результате чего фотодатчик перестает проводить ток.
Существует четыре конфигурации оптронов, разница заключается в используемом светочувствительном устройстве. Фототранзистор и фото-Дарлингтон обычно используются в цепях постоянного тока, а фото-тиристор и фото-триак используются для управления цепями переменного тока. В фототранзисторной оптроне транзистор может быть PNP или NPN. Транзистор Дарлингтона представляет собой пару из двух транзисторов, где один транзистор управляет базой другого транзистора.Транзистор Дарлингтона обеспечивает высокий коэффициент усиления.
Термины «оптопара» и «оптоизолятор» часто используются взаимозаменяемо, но между ними есть небольшая разница. Отличительным фактором является ожидаемая разница напряжений между входом и выходом. Оптопара используется для передачи аналоговой или цифровой информации между цепями с сохранением гальванической развязки при напряжении до 5000 вольт. Оптоизолятор используется для передачи аналоговой или цифровой информации между цепями, где разность потенциалов превышает 5000 вольт.
Что такое оптрон и как он работает?
Если вы когда-нибудь разбирали любое зарядное устройство для телефона или импульсный источник питания, вы обнаружите крошечные черные корпуса интегральных схем с необычным количеством контактов, в основном четыре или шесть, как для поверхностного монтажа, так и для сквозных отверстий. Что еще более необычно, так это то, что эти части обычно находятся над изоляционными прорезями и промежутками, что делает их назначение более загадочным.
Эти компоненты называются оптопарами, или оптоизоляторами, или просто опто, и они выполняют важнейшую функцию передачи сигналов между изолированными секциями схемы. Они используют свет для передачи сигналов между цепями.
Что такое оптрон и как он работает
Как мы уже узнали о транзисторах, идеальный транзистор не пропускает через себя ток, если базовый вывод не срабатывает. Но если вам удастся осторожно снять конденсатор с обычного дискретного транзистора и подать напряжение на выводы коллектора и эмиттера, вы заметите, что небольшой ток все еще течет! Это происходит из-за того, что свет падает на основание открытого кристалла транзистора.
Это означает, что фотоны света способны выбивать дырки и электроны из легированного полупроводникового материала. Это приводит к некоторым очень интересным возможностям, первой из которых является фототранзистор, в основном транзистор с двумя выводами без базы. Они очень похожи на диоды и поставляются в прозрачных упаковках. Здесь свет действует как базовый ток. Фотодиоды работают очень похожим образом; они меняют свое «сопротивление» в зависимости от количества падающего на них света.
Фотодиоды и транзисторы используются в таких устройствах, как датчики приближения, которые обнаруживают небольшие изменения напряжения или тока на этих устройствах в зависимости от количества падающего на них света.
Если мы можем поместить светодиод и фототранзистор в закрытую трубку, свет, исходящий от светодиода (конечно, при условии, что он правильно управляется), освещает «основание» фототранзистора и делает его проводящим. Это оставляет нам устройство, которое может управлять переключающим элементом без какого-либо физического контакта! Такое устройство уже существует, и, как вы догадались, это оптопара!
Входы и выходы оптопары
Оптопары бывают разных форм, размеров и скоростей (об этом будет рассказано позже), но большинство из них имеют одни и те же основные характеристики — диодный вход и выход переключающего элемента.
Диод очень похож на любой другой светодиод, за исключением того факта, что вы не можете видеть свет (во-первых, потому что он находится в герметичном пластиковом корпусе, а во-вторых, потому что он в основном инфракрасный). Для его питания требуются те же токи и напряжения, что и для обычных светодиодов, а именно несколько вольт и несколько десятков миллиампер.
Приведенная ниже анимация поможет вам понять принцип работы. Используемая здесь оптопара представляет собой фототранзистор MCT2E IC. Как видите, логический вход светодиода управляет выходом транзистора. В этой ИС выходная сторона состоит из транзистора, но так должно быть во всех случаях.
Выход фототранзистора немного интереснее, потому что обычно он состоит из транзистора типа NPN, как показано выше, но иногда это также может быть SCR или TRIAC, а иногда даже полностью совместимый с логикой выход!< /p>
Одна важная вещь, которую следует помнить, это то, что, поскольку база в основном управляется светом, «ток базы» очень и очень мал — вы не можете ожидать полного насыщения от этих типов транзисторов, а поскольку ток базы настолько маленький, время нарастания и спада часто патетически медленное, как я понял на собственном горьком опыте. Конечно, опто логический выход (и согласование скоростей) доступны, но требуют отдельного источника питания для выходной стороны.
Прелесть оптовхода в том, что, поскольку он полностью гальванически развязан со стороны входа, он может плавать при любом напряжении — или, другими словами, он действует как плавающий «переключатель», хотя и не очень хороший. .
Например, вы можете поместить транзисторный выход на низкий уровень и добавить подтягивание к коллектору, поэтому, когда диод горит, транзистор проводит и подтягивает коллектор к низкому уровню. Вы также можете разместить транзистор на стороне высокого уровня с резистором между эмиттером и выходной землей, поэтому, когда вход становится высоким, выход на эмиттере тоже высокий.
Но имейте в виду, что большинство распространенных оптических систем имеют высокое напряжение насыщения из-за ограниченного базового привода, иногда порядка 1 Вольта!
Из-за низкой скорости обычные оптопары используются как часть контуров обратной связи по питанию с дополнительным преимуществом полной изоляции.
Как вы уже догадались, оптос не может делать то, что могут трансформаторы — подавать питание. Хотя трансформатор может питать изолированные схемы, современные технологии не позволяют эффективно передавать энергию через свет.
Оптосхемы делают то, чего не могут трансформаторы — очень эффективно и очень быстро передают сигналы между цепями без необходимости использования отдельных драйверов. Мы можем подключить вход оптометра напрямую к выводу микроконтроллера, но мы не сможем сделать то же самое для преобразователя сигналов!
Практические советы по оптопаре
Для всех «медленных» целей, т. е. сигналов порядка нескольких килогерц, я рекомендую использовать PC817, очень распространенный одиночный оптрон, который поставляется в корпусе DIP4 или SMD. Подайте на вход не менее 5 мА.
Для более высоких скоростей я рекомендую TLP117, который имеет инвертированный логический выход, но требует питания 5 В на выходе. Я получил 10-микросекундные импульсы от этого, что должно сказать вам кое-что о его скорости!
Каким бы незначительным ни казалось чтение всего описания, лучше сделать это на самом деле.
Другие устройства с оптической связью
Основываясь на той же технологии, мы нашли ряд полезных устройств — оптотиристоры и оптосимисторы. Оптотриаки более известны как твердотельные реле или SSL. В основном они действуют как обычные реле, но используют свет для срабатывания симистора горячей стороны, который потребляет намного меньше тока, чем катушка реле.
Одним из недостатков является то, что полупроводниковые устройства, как правило, выходят из строя при коротком замыкании, а электромеханические реле не размыкаются. Об этом следует помнить при работе с критически важными приложениями.
С другой стороны, оптотиристоры обычно используются для запуска тиристоров большей мощности из изолированного сигнала.
Читайте также: