Принцип работы оптопары в импульсном бп: Оптопара PC817 принцип работы и очень простая проверка. — schip.com.ua

Содержание

Оптопара PC817 принцип работы и очень простая проверка. — schip.com.ua

Описание, характеристики , Datasheet  и методы проверки оптронов на примере PC817.

В продолжение темы «Популярные радиодетали при ремонтах импульсных блоков питания» разберем еще одну деталь- оптопара (оптрон ) PC817. Он состоит из светодиода и фототранзистора. Между собой электрически никак не связанны, благодаря чему на основе PC817 можно реализовать гальваническую развязку двух частей схемы — например с высоким напряжением и с низким. Открытие фототранзистора зависит от освещенности светодиодом. Как это происходит более подробно я разберу в следующей статье где в экспериментах подавая сигналы с генератора и анализируя его при помощи осциллографа можно понять более точную картину работы оптопары.

Еще в других статьях я расскажу о нестандартном использовании оптрона первая в роли реле -RS триггера с фиксацией состояний, а во второй генератор периодических сигналов.   И используя эти схемные решения соберу очень простой тестер оптопар. Которому не не нужны никакие дорогие и редкие приборы, а всего лишь несколько дешевых радиодеталей.

Деталь не редкая и не дорогая. Но от нее зависит очень многое. Она используется практически в каждом ходовом (я не имею ввиду каком нибудь эксклюзивном) импульсном БЛОКЕ ПИТАНИЯ и выполняет роль обратной связи и чаще всего в связке тоже с очень популярной радиодеталью TL431 Описание и проверка здесь

Для тех читателей, кому легче информацию воспринимать на слух, советуем посмотреть видео в самом низу страницы.

Оптопара ( Оптрон ) PC817

Краткие характеристики:

Максимальное напряжение изоляции вход-выход 5000 В

Максимальный прямой ток

50 мА
Максимальная рассеиваемая на коллекторе мощность 150 мВт
Максимальная пропускаемая частота 80 кГц

Диапазон рабочих температур

-30°C.
.+100°C
Тип корпуса DIP-4

Корпус компактный:

  • шаг выводов – 2,54 мм;
  • между рядами – 7,62 мм.

Производитель PC817 – Sharp, встречаются другие производители электронных компонентов выпускают аналоги- например:

  • Siemens – SFH618
  • Toshiba – TLP521-1
  • NEC – PC2501-1
  • LITEON – LTV817
  • Cosmo – KP1010

Кроме одинарного оптрона PC817 выпускаются и другие варианты:

  • PC827 — сдвоенный;
  • PC837 – строенный;
  • PC847 – счетверенный.

Даташит на оптопару PC817 rus

Проверка оптопары

Для быстрой проверки оптопары я провел несколько тестовых экспериментов. Сначала на макетной плате.

Вариант на макетной плате

В результате удалось получить очень простую схему для проверки PC817 и других похожих оптронов.

Первый вариант схемы

Первый вариант я забраковал по той причине что он инвертировал маркировку транзистора с n-p-n  на  p-n-p

Поэтому чтобы не возникало путаницы я изменил схему на следующую ;

Второй вариант схемы

Второй вариант работал правильно но неудобно было распаять стандартную панельку

SCS- 8

под микросхему

Панелька SCS- 8


Третий вариант схемы

Самый удачный

Uf — напряжение на светодиоде при котором начинает открываться фототранзистор.

в моем варианте Uf = 1.12 Вольт.

В результате получилась такая очень простая конструкция:

Вид сверху


Вид снизу

Как видно из фото деталь развернута не по ключу.

Используя которую можно очень быстро проверить деталь. За свою практику ремонтов конечно не часто , но я сталкивался с неработающими оптопарами и раньше мне приходилось заморачиваться  над проверкой детали когда иногда бывало заходил в тупик во время сложного ремонта.

Конечный вариант — все очень просто.

Похожие статьи по теме:

PC817 эксперименты с оптопарой

 

Оптрон PC817 в режиме тиристора или самая простая схема проверки.

 

Генератор на оптроне. На примере PC817.

 

Кому лень читать

Видео на эту тему :

Еще более простой способ проверки оптрона PC817

Понятно что использование китайского тестера для проверки оптопары не самый простой , точнее простой но не самый дешевый метод. Такой прибор не во всех есть в хозяйстве.

Поэтому предлагаю вашему вниманию более простой , а главное дешевый тестер оптронов.

Он состоит из двух кнопок , двух резисторов , светодиода и панельки ( сокета ) под микросхему.

Если кому интересно , вот ссылка

Оптрон PC817 в режиме тиристора или самая простая схема проверки.

Оптрон в импульсном блоке питания

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

  1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
  2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

  • Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
  • Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
  • На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
  • Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

  • частотно-импульсным;
  • фазо-импульсным;
  • широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется UП пилообразной формы, поступающее на вход компаратора КШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал UУС

, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности UП (опорное напряжение) и UРС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал UУС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (UOUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала UРС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

  • Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
  • Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
  • Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
  • Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
  • Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

  • различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БП
  • внешние блоки питания;
  • электронный балласт для осветительных приборов;
  • БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

  • Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
  • Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 – 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
  • Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
  • Транзистор VT1 – KT872A.
  • Стабилизатор напряжения D1 – микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
  • Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
  • Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Оптроны – это оптоэлектронные приборы, конструкция которых содержит источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом. Достоинства этих приборов базируются на принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации .

Импульсные источники питания (ИИП) обычно являются достаточно сложными устройствами, из-за чего начинающие радиолюбители стремятся их избегать. Тем не менее, благодаря распространению специализированных интегральных ШИМ-контроллеров, есть возможность конструировать достаточно простые для понимания и повторения конструкции, обладающие высокими показателями мощности и КПД. Предлагаемый блок питания имеет пиковую мощность около 100 Вт и построен по топологии flyback (обратноходовой преобразователь), а управляющим элементом является микросхема CR6842S (совместимые по выводам аналоги: SG6842J, LD7552 и OB2269).

Внимание! В некоторых случаях для отладки схемы может понадобится осциллограф!

Технические характеристики

Размеры блока: 107х57х30 мм (размеры готового блока с Алиэкспресс, возможны отклонения).
Выходное напряжение: версии на 24 В (3-4 А) и на 12 В (6-8 А).
Мощность: 100 Вт.
Уровень пульсаций: не более 200 мВ.

На Али легко найти множество вариантов готовых блоков по этой схеме, например, по запросам вида "Artillery power supply 24V 3A", "Блок питания XK-2412-24", "Eyewink 24V switching power supply" и тому подобным. На радиолюбительских порталах данную модель уже окрестили "народной", ввиду простоты и надёжности. Схемотехнически варианты 12В и 24В различаются незначительно и имеют идентичную топологию.

Обратите внимание! В данной модели БП у китайцев весьма высок процент брака, поэтому при покупке готового изделия перед включением желательно тщательно проверять целостность и полярность всех элементов. В моём случае, например, диод VD2 имел неверную полряность, из-за чего уже после трёх включений блок сгорел и мне пришлось менять контроллер и ключевой транзистор.

Подробно методология проектирования ИИП вообще, и конкретно этой топологии в частности, тут рассматриваться не будет, ввиду слишком большого объёма информации – см. отдельные статьи.

Далее подробно разберём назначение элементов в схеме.


Импульсный блок питания мощностью 100Вт на контроллере CR6842S.

Назначение элементов входной цепи

Рассматривать схему блока будем слева-направо:

F1 Обычный плавкий предохранитель.
5D-9 Терморезистор, ограничивает бросок тока при включении блока питания в сеть. При комнатной температуре имеет небольшое сопротивление, ограничивающее броски тока, при протекании тока разогревается, что вызывает снижение сопротивления, поэтому в дальнейшем не влияет на работу устройства.
C1 Входной конденсатор, для подавления несимметричной помехи. Ёмкость допустимо немного увеличить, желательно чтобы он был помехоподавляющим конденсатором типа X2 или имел большой (10-20 раз) запас по рабочему напряжению. Для надёжного подавления помех должен иметь низкие ESR И ESL.
L1 Синфазный фильтр, для подавления симметричной помехи. Состоит из двух катушек индуктивности с одинаковым числом витков, намотанных на общем сердечнике и включенных синфазно.
KBP307 Выпрямительный диодный мост.
R5, R9 Цепочка, необходимая для запуска CR6842. Через неё осуществляется первичный заряд конденсатора C4 до 16.5В. Цепь должна обеспечивать ток запуска не менее 30 мкА (максимум, согласно даташиту) во всём диапазоне входных напряжений. Также, в процессе работы посредством этой цепочки осуществляется контроль входного напряжения и компенсация напряжения при котором закрывается ключ – увеличение тока, втекающего в третий пин, вызывает понижение порогового напряжения закрытия ключа.
R10 Времязадающий резистор для ШИМ. Увеличение номинала данного резистора уменьшит частоту переключения. Номинал должен лежать в пределах 16-36 кОм.
C2 Сглаживающий конденсатор.
R3, C7, VD2 Снабберная цепь, защищающая ключевой транзистор от обратных выбросов с первичной обмотки трансформатора. R3 желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C3 Конденсатор, шунтирующий межобмоточную ёмкость. В идеале должен быть Y-типа, либо же должен иметь большой запас (15-20 раз) по рабочему напряжению. Служит для уменьшения помех. Номинал зависит от параметров трансформатора, делать слишком большим нежелательно.
R6, VD1, C4 Данная цепь, запитываясь от вспомогательной обмотки трансформатора образует цепь питания контроллера. Также данная цепь влияет на цикл работы ключа. Работает это следующим образом: для корректной работы напряжение на седьмом выводе контроллера должно находиться в пределах 12.5 – 16.5 В. Напряжение 16.5В на этом выводе является порогом, при котором происходит открытие ключевого транзистора и энергия начинает запасаться в сердечнике трансформатора (в это время микросхема питается от C4). При понижении ниже 12.5В микросхема отключается, таким образом конденсатор C4 должен обеспечивать питание контроллера пока из вспомогательной обмотки не поступает энергии, поэтому его номинала должно быть достаточно чтобы удерживать напряжение выше 12. 5В пока ключ открыт. Нижний предел номинала C4 следует рассчитывать исходя из потребления контроллера около 5 мА. От времени заряда данного конденсатора до 16.5В зависит время закрытого ключа и определяется оно током, который может отдать вспомогательная обмотка, при этом ток ограничивается резистором R6. Кроме всего прочего, посредством данной цепи в контроллере предусмотрена защита от перенапряжения в случае выхода из строя цепей обратной связи – при превышении напряжения выше 25В контроллер отключится и не начнёт работать пока питание с седьмого пина не будет снято.
R13 Ограничивает ток заряда затвора ключевого транзистора, а также обеспечивает его плавное открытие.
VD3 Защита затвора транзистора.
R8 Подтяжка затвора к земле, выполняет несколько функций. Например, в случае отключения контроллера и повреждения внутренней подтяжки данный резистор обеспечит быстрый разряд затвора транзистора. Также, при корректной разводке платы обеспечит более короткий путь тока разряда затвора на землю, что должно положительно сказаться на помехозащищённости.
BT1 Ключевой транзистор. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R7, C6 Цепь служит для сглаживания колебаний напряжения на токоизмерительном резисторе.
R1 Токоизмерительный резистор. Когда напряжение на нём превышает 0.8В контроллер закрывает ключевой транзистор, таким образом регулируется время открытого ключа. Кроме того, как уже говорилось выше, напряжение при котором будет закрыт транзистор также зависит от входного напряжения.
C8 Фильтрующий конденсатор оптопары обратной связи. Допустимо немного увеличить номинал.
PC817 Опторазвязка цепи обратной связи. Если транзистор оптопары закроется это вызовет повышение напряжения на втором выводе контроллера. Если напряжение на втором выводе будет превышать 5.2В дольше 56 мс, это вызовет закрытие ключевого транзистора. Таким образом реализована защита от перегрузки и короткого замыкания.

В данной схеме 5-й вывод контроллера не используется. Однако, согласно даташиту на контроллер, на него можно повесить NTC-термистор, который обеспечит отключение контроллера в случае перегрева. Стабилизированный выходной ток данного вывода – 70 мкА. Напряжение срабатывания температурной защиты 1.05В (защита включится при достижении сопротивления 15 кОм). Рекомендуемый номинал термистора 26 кОм (при 27°C).

Параметры импульсного трансформатора

Поскольку импульсный трансформатор это один из самых сложных в проектировании элементов импульсного блока, расчёт трансформатора для каждой конкретной топологии блока требует отдельной статьи, поэтому подробного описания методологии тут не будет, тем не менее для повторения описываемой конструкции следует указать основные параметры используемого трансформатора.

Следует помнить, что одно из важнейших правил при проектировании – соответствие габаритной мощности трансформатора и выходной мощности блока питания, поэтому первым делом, в любом случае, выбирайте подходящие вашей задаче сердечники.

Чаще всего данная конструкция поставляется с трансформаторами, выполненными на сердечниках типа EE25 или EE16, либо аналогичных. Собрать достаточно информации по количеству витков в данной модели ИИП не удалось, поскольку в разных модификациях, несмотря на схожие схемы, используются различные сердечники.

Увеличение разницы в количестве витков ведёт к уменьшению потерь на переключение ключевого транзистора, но повышает требования к его нагрузочной способности по максимальному напряжению сток-исток (VDS).

Для примера, будем ориентироваться на стандартные сердечники типа EE25 и значение максимальной индукции Bmax = 300 мТ. В этом случае соотношение витков первой-второй-третьей обмотки будет равно 90:15:12.

Следует помнить, что указанное соотношение витков не является оптимальным и возможно потребуется корректировка соотношений по результатам испытаний.

Первичную обмотку следует наматывать проводником не тоньше 0.3мм в диаметре. Вторичную обмотку желательно выполнять сдвоенным проводом диаметром 1мм. Через вспомогательную третью обмотку течёт малый ток, поэтому провода диаметром 0.2мм будет вполне достаточно.

Описание элементов выходной цепи

Далее кратко рассмотрим выходную цепь источника питания. Она, в общем-то, совершенно стандартна, от сотен других отличается минимально. Интересна может быть лишь цепочка обратной связи на TL431, но её мы тут подробно рассматривать не будем, потому что про цепи обратной связи есть отдельная статья.

VD4 Сдвоенный выпрямительный диод. В идеале подбирать с запасом по напряжениютоку и с минимальным падением. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R2, C12 Снабберная цепь для облегчения режима работы диода. R2 желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C13, L2, C14 Выходной фильтр.
C20 Керамический конденсатор, шунтирующий выходной конденсатор C14 по ВЧ.
R17 Нагрузочный резистор, обеспечивающий нагрузку для холостого хода. Также через него разряжаются выходные конденсаторы в случае запуска и последующего отключения без нагрузки.
R16 Токоограничивающий резистор для светодиода.
C9, R20, R18, R19, TLE431, PC817 Цепь обратной связи на прецизионном источнике питания. Резисторы задают режим работы TLE431, а PC817 обеспечивает гальваническую развязку.

Что можно улучшить

Вышеописанная схема обычно поставляется в готовом виде, но, если собирать схему самому, ничто не мешает немного улучшить конструкцию. Модифицировать можно как входные, так и выходные цепи.

Если в ваших розетках земляной провод имеет соединение с качественной землёй (а не просто ни к чему не подключен, как это часто бывает), можно добавить два дополнительных Y-конденсатора, соединённых каждый со своим сетевым проводом и землёй, между L1 и входным конденсатором C1. Это обеспечит симметрирование потенциалов сетевых проводов относительно корпуса и лучшее подавление синфазной составляющей помехи. Вместе с входным конденсатором два дополнительных конденсатора образуют т.н. «защитный треугольник».

После L1 также стоит добавить ещё один конденсатор X-типа, с той же ёмкостью что у C1.

Для защиты от импульсных бросков напряжения большой амплитуды целесообразно параллельно входу подключать варистор (например 14D471K). Также, если у вас есть земля, для защиты в случае аварии на линии электроснабжения, при которой вместо фазы и нуля фаза попадаётся на оба провода, желательно составить защитный треугольник из таких же варисторов.


Защитный треугольник на варисторах.

При повышении напряжения выше рабочего, варистор снижает своё сопротивление и ток течёт через него. Однако, ввиду относительно низкого быстродействия варисторов, они не способны шунтировать скачки напряжения с быстро нарастающим фронтом, поэтому для дополнительной фильтрации быстрых скачков напряжения желательно параллельно входу подключать также двунаправленный TVS-супрессор (например, 1. 5KE400CA).

Опять же, при наличии земляного провода, желательно добавить на выход блока ещё два Y-конденсатора небольшой ёмкости, включенных по схеме «защитного треугольника» параллельно с C14.

Для быстрой разрядки конденсаторов при отключении устройства параллельно входным цепям целесообразно добавить мегаомный резистор.

Каждый электролитический конденсатор желательно зашунтировать по ВЧ керамикой малой ёмкости, расположенной максимально близко к выводам конденсатора.

Ограничительный TVS-диод будет не лишним поставить также и на выход – для защиты нагрузки от возможных перенапряжений в случае проблем с блоком. Для 24В версии подойдёт, например 1.5KE24A.

Основные принципы работы импульсного блока питания - Теория начинающим - Каталог статей

Здесь мы поговорим об импульсных блоках питания (ИБП), которые на сегодняшний день получили самое широкое распространение и с успехом используются во всех современных радиоэлектронных устройствах.

Прежде всего, эта статья посвящена для начинающих специалистов по ремонту электронной техники, поэтому материал будет изложен в упрощенной форме и поможет понять основные принципы работы ИБП.

Основной принцип, положенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Гц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.

Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора, работающего в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый –выполняется по схеме импульсного автогенератора (например, такой использовался в ИБП телевизоров 3 – 4 УСЦТ) и второй – с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).

Поскольку частота преобразователя обычно выбирается от 18 до 50 кГц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно компактны, что является немаловажным параметром для современной аппаратуры.


Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением приведена на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1.

 

Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. При этом если мы будем увеличивать длительность импульса приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т. к энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП. Единственное что для этого необходимо - схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер. ШИМ – широтно – импульсная модуляция. В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая и управляет длительностью импульса.

Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный.

В ИБП используются два принципа реализации цепей слежения – «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный метод называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора (рисунок 2).

Рисунок 2

 

 

Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера.

С цепью слежения я думаю, разобрались, теперь давайте рассмотрим такую ситуацию как короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу из строя этого транзистора. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится.

В заключении хотелось более подробно остановиться на достоинствах ИБП. Как уже упоминалось, частота импульсного преобразователя достаточно высока, в связи с чем, габаритные размеры импульсного трансформатора уменьшены, а значит, как это не парадоксально звучит, стоимость ИБП меньше традиционного БП т.к. меньше расход металла на магнитопровод и меди на обмотки, даже не смотря на то, что количество деталей в ИБП увеличивается. Еще одним из достоинств ИБП является малая, по сравнению с обычным БП, емкость конденсатора фильтра вторичного выпрямителя. Уменьшение емкости стало возможным за счет увеличения частоты. И, наконец, КПД импульсного блока питания доходит до 80%. Связано это с тем, что ИБП потребляет энергию электрической сети только во время открытого транзистора преобразователя, при его закрытии энергия в нагрузку отдается за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи.

К недостаткам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение импульсных помех излучаемым ИБП. Увеличение помех связано с тем, что транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В таком режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора. Это является недостатком любого транзистора работающего в ключевом режиме. Но если транзистор работает с малыми напряжениями (например, транзисторная логика с напряжением в 5В) это не страшно, в нашем же случае напряжение, приложенное к коллектору транзистора, составляет, примерно 315 В. Для борьбы с этими помехами в ИБП используются более сложные схемы сетевых фильтров, чем в обычном БП.

 

Виктор Малышев

Ka2s0880 принцип работы в импульсном бп

Импульсные источники питания (ИИП) обычно являются достаточно сложными устройствами, из-за чего начинающие радиолюбители стремятся их избегать. Тем не менее, благодаря распространению специализированных интегральных ШИМ-контроллеров, есть возможность конструировать достаточно простые для понимания и повторения конструкции, обладающие высокими показателями мощности и КПД. Предлагаемый блок питания имеет пиковую мощность около 100 Вт и построен по топологии flyback (обратноходовой преобразователь), а управляющим элементом является микросхема CR6842S (совместимые по выводам аналоги: SG6842J, LD7552 и OB2269).

Внимание! В некоторых случаях для отладки схемы может понадобится осциллограф!

Технические характеристики

Размеры блока: 107х57х30 мм (размеры готового блока с Алиэкспресс, возможны отклонения).
Выходное напряжение: версии на 24 В (3-4 А) и на 12 В (6-8 А).
Мощность: 100 Вт.
Уровень пульсаций: не более 200 мВ.

На Али легко найти множество вариантов готовых блоков по этой схеме, например, по запросам вида "Artillery power supply 24V 3A", "Блок питания XK-2412-24", "Eyewink 24V switching power supply" и тому подобным. На радиолюбительских порталах данную модель уже окрестили "народной", ввиду простоты и надёжности. Схемотехнически варианты 12В и 24В различаются незначительно и имеют идентичную топологию.

Обратите внимание! В данной модели БП у китайцев весьма высок процент брака, поэтому при покупке готового изделия перед включением желательно тщательно проверять целостность и полярность всех элементов. В моём случае, например, диод VD2 имел неверную полряность, из-за чего уже после трёх включений блок сгорел и мне пришлось менять контроллер и ключевой транзистор.

Подробно методология проектирования ИИП вообще, и конкретно этой топологии в частности, тут рассматриваться не будет, ввиду слишком большого объёма информации — см. отдельные статьи.

Далее подробно разберём назначение элементов в схеме.


Импульсный блок питания мощностью 100Вт на контроллере CR6842S.

Назначение элементов входной цепи

Рассматривать схему блока будем слева-направо:

F1Обычный плавкий предохранитель.
5D-9Терморезистор, ограничивает бросок тока при включении блока питания в сеть. При комнатной температуре имеет небольшое сопротивление, ограничивающее броски тока, при протекании тока разогревается, что вызывает снижение сопротивления, поэтому в дальнейшем не влияет на работу устройства.
C1Входной конденсатор, для подавления несимметричной помехи. Ёмкость допустимо немного увеличить, желательно чтобы он был помехоподавляющим конденсатором типа X2 или имел большой (10-20 раз) запас по рабочему напряжению. Для надёжного подавления помех должен иметь низкие ESR И ESL.
L1Синфазный фильтр, для подавления симметричной помехи. Состоит из двух катушек индуктивности с одинаковым числом витков, намотанных на общем сердечнике и включенных синфазно.
KBP307Выпрямительный диодный мост.
R5, R9Цепочка, необходимая для запуска CR6842. Через неё осуществляется первичный заряд конденсатора C4 до 16.5В. Цепь должна обеспечивать ток запуска не менее 30 мкА (максимум, согласно даташиту) во всём диапазоне входных напряжений. Также, в процессе работы посредством этой цепочки осуществляется контроль входного напряжения и компенсация напряжения при котором закрывается ключ — увеличение тока, втекающего в третий пин, вызывает понижение порогового напряжения закрытия ключа.
R10Времязадающий резистор для ШИМ. Увеличение номинала данного резистора уменьшит частоту переключения. Номинал должен лежать в пределах 16-36 кОм.
C2Сглаживающий конденсатор.
R3, C7, VD2Снабберная цепь, защищающая ключевой транзистор от обратных выбросов с первичной обмотки трансформатора. R3 желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C3Конденсатор, шунтирующий межобмоточную ёмкость. В идеале должен быть Y-типа, либо же должен иметь большой запас (15-20 раз) по рабочему напряжению. Служит для уменьшения помех. Номинал зависит от параметров трансформатора, делать слишком большим нежелательно.
R6, VD1, C4Данная цепь, запитываясь от вспомогательной обмотки трансформатора образует цепь питания контроллера. Также данная цепь влияет на цикл работы ключа. Работает это следующим образом: для корректной работы напряжение на седьмом выводе контроллера должно находиться в пределах 12.5 — 16.5 В. Напряжение 16.5В на этом выводе является порогом, при котором происходит открытие ключевого транзистора и энергия начинает запасаться в сердечнике трансформатора (в это время микросхема питается от C4). При понижении ниже 12.5В микросхема отключается, таким образом конденсатор C4 должен обеспечивать питание контроллера пока из вспомогательной обмотки не поступает энергии, поэтому его номинала должно быть достаточно чтобы удерживать напряжение выше 12.5В пока ключ открыт. Нижний предел номинала C4 следует рассчитывать исходя из потребления контроллера около 5 мА. От времени заряда данного конденсатора до 16.5В зависит время закрытого ключа и определяется оно током, который может отдать вспомогательная обмотка, при этом ток ограничивается резистором R6. Кроме всего прочего, посредством данной цепи в контроллере предусмотрена защита от перенапряжения в случае выхода из строя цепей обратной связи — при превышении напряжения выше 25В контроллер отключится и не начнёт работать пока питание с седьмого пина не будет снято.
R13Ограничивает ток заряда затвора ключевого транзистора, а также обеспечивает его плавное открытие.
VD3Защита затвора транзистора.
R8Подтяжка затвора к земле, выполняет несколько функций. Например, в случае отключения контроллера и повреждения внутренней подтяжки данный резистор обеспечит быстрый разряд затвора транзистора. Также, при корректной разводке платы обеспечит более короткий путь тока разряда затвора на землю, что должно положительно сказаться на помехозащищённости.
BT1Ключевой транзистор. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R7, C6Цепь служит для сглаживания колебаний напряжения на токоизмерительном резисторе.
R1Токоизмерительный резистор. Когда напряжение на нём превышает 0.8В контроллер закрывает ключевой транзистор, таким образом регулируется время открытого ключа. Кроме того, как уже говорилось выше, напряжение при котором будет закрыт транзистор также зависит от входного напряжения.
C8Фильтрующий конденсатор оптопары обратной связи. Допустимо немного увеличить номинал.
PC817Опторазвязка цепи обратной связи. Если транзистор оптопары закроется это вызовет повышение напряжения на втором выводе контроллера. Если напряжение на втором выводе будет превышать 5.2В дольше 56 мс, это вызовет закрытие ключевого транзистора. Таким образом реализована защита от перегрузки и короткого замыкания.

В данной схеме 5-й вывод контроллера не используется. Однако, согласно даташиту на контроллер, на него можно повесить NTC-термистор, который обеспечит отключение контроллера в случае перегрева. Стабилизированный выходной ток данного вывода — 70 мкА. Напряжение срабатывания температурной защиты 1.05В (защита включится при достижении сопротивления 15 кОм). Рекомендуемый номинал термистора 26 кОм (при 27°C).

Параметры импульсного трансформатора

Поскольку импульсный трансформатор это один из самых сложных в проектировании элементов импульсного блока, расчёт трансформатора для каждой конкретной топологии блока требует отдельной статьи, поэтому подробного описания методологии тут не будет, тем не менее для повторения описываемой конструкции следует указать основные параметры используемого трансформатора.

Следует помнить, что одно из важнейших правил при проектировании — соответствие габаритной мощности трансформатора и выходной мощности блока питания, поэтому первым делом, в любом случае, выбирайте подходящие вашей задаче сердечники.

Чаще всего данная конструкция поставляется с трансформаторами, выполненными на сердечниках типа EE25 или EE16, либо аналогичных. Собрать достаточно информации по количеству витков в данной модели ИИП не удалось, поскольку в разных модификациях, несмотря на схожие схемы, используются различные сердечники.

Увеличение разницы в количестве витков ведёт к уменьшению потерь на переключение ключевого транзистора, но повышает требования к его нагрузочной способности по максимальному напряжению сток-исток (VDS).

Для примера, будем ориентироваться на стандартные сердечники типа EE25 и значение максимальной индукции Bmax = 300 мТ. В этом случае соотношение витков первой-второй-третьей обмотки будет равно 90:15:12.

Следует помнить, что указанное соотношение витков не является оптимальным и возможно потребуется корректировка соотношений по результатам испытаний.

Первичную обмотку следует наматывать проводником не тоньше 0.3мм в диаметре. Вторичную обмотку желательно выполнять сдвоенным проводом диаметром 1мм. Через вспомогательную третью обмотку течёт малый ток, поэтому провода диаметром 0.2мм будет вполне достаточно.

Описание элементов выходной цепи

Далее кратко рассмотрим выходную цепь источника питания. Она, в общем-то, совершенно стандартна, от сотен других отличается минимально. Интересна может быть лишь цепочка обратной связи на TL431, но её мы тут подробно рассматривать не будем, потому что про цепи обратной связи есть отдельная статья.

VD4Сдвоенный выпрямительный диод. В идеале подбирать с запасом по напряжениютоку и с минимальным падением. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R2, C12Снабберная цепь для облегчения режима работы диода. R2 желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C13, L2, C14Выходной фильтр.
C20Керамический конденсатор, шунтирующий выходной конденсатор C14 по ВЧ.
R17Нагрузочный резистор, обеспечивающий нагрузку для холостого хода. Также через него разряжаются выходные конденсаторы в случае запуска и последующего отключения без нагрузки.
R16Токоограничивающий резистор для светодиода.
C9, R20, R18, R19, TLE431, PC817Цепь обратной связи на прецизионном источнике питания. Резисторы задают режим работы TLE431, а PC817 обеспечивает гальваническую развязку.

Что можно улучшить

Вышеописанная схема обычно поставляется в готовом виде, но, если собирать схему самому, ничто не мешает немного улучшить конструкцию. Модифицировать можно как входные, так и выходные цепи.

Если в ваших розетках земляной провод имеет соединение с качественной землёй (а не просто ни к чему не подключен, как это часто бывает), можно добавить два дополнительных Y-конденсатора, соединённых каждый со своим сетевым проводом и землёй, между L1 и входным конденсатором C1. Это обеспечит симметрирование потенциалов сетевых проводов относительно корпуса и лучшее подавление синфазной составляющей помехи. Вместе с входным конденсатором два дополнительных конденсатора образуют т.н. «защитный треугольник».

После L1 также стоит добавить ещё один конденсатор X-типа, с той же ёмкостью что у C1.

Для защиты от импульсных бросков напряжения большой амплитуды целесообразно параллельно входу подключать варистор (например 14D471K). Также, если у вас есть земля, для защиты в случае аварии на линии электроснабжения, при которой вместо фазы и нуля фаза попадаётся на оба провода, желательно составить защитный треугольник из таких же варисторов.


Защитный треугольник на варисторах.

При повышении напряжения выше рабочего, варистор снижает своё сопротивление и ток течёт через него. Однако, ввиду относительно низкого быстродействия варисторов, они не способны шунтировать скачки напряжения с быстро нарастающим фронтом, поэтому для дополнительной фильтрации быстрых скачков напряжения желательно параллельно входу подключать также двунаправленный TVS-супрессор (например, 1.5KE400CA).

Опять же, при наличии земляного провода, желательно добавить на выход блока ещё два Y-конденсатора небольшой ёмкости, включенных по схеме «защитного треугольника» параллельно с C14.

Для быстрой разрядки конденсаторов при отключении устройства параллельно входным цепям целесообразно добавить мегаомный резистор.

Каждый электролитический конденсатор желательно зашунтировать по ВЧ керамикой малой ёмкости, расположенной максимально близко к выводам конденсатора.

Ограничительный TVS-диод будет не лишним поставить также и на выход — для защиты нагрузки от возможных перенапряжений в случае проблем с блоком. Для 24В версии подойдёт, например 1.5KE24A.

Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…

Для этого создаются дополнительные элементы: блоки питания, преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:

встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;

или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.

В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования энергии для электрических потребителей, основанные на:

1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;

2. импульсных блоках питания.

Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.

Трансформаторные блоки питания

Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.

После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.

Импульсные блоки питания (ИБП)

Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:

доступностью комплектования распространенной элементной базой;

надежностью в исполнении;

возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.

В состав основных деталей источников питания входят:

сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;

накопительная фильтрующая емкость;

ключевой силовой транзистор;

схема обратной связи, выполненная на транзисторах;

импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;

выпрямительные диоды выходной схемы;

цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;

силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;

Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.

Как работает импульсный блок питания

Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.

Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.

Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:

1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;

2. без выполнения подобной развязки.

Импульсный блок питания с гальванической развязкой

В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.

Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.

В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:

2. каскад из силовых ключей;

3. импульсный трансформатор.

Как работает ШИМ-контроллер

Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.

Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.

Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.

Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.

В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.

Работа каскада из силовых ключей

Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.

Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:

со средней точкой.

Импульсный трансформатор

Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.

Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.

Импульсные блоки питания без гальванической развязки

В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.

Особенности стабилизации выходного напряжения

Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.

Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:

1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;

2. применения оптрона.

В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.

При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.

Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми

При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:

1. уменьшенный вес;

2. повышенный КПД;

3. меньшая стоимость;

4. расширенный диапазон питающих напряжений;

5. наличие встроенных защит.

1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.

За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.

2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.

В импульсных блоках наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.

3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.

4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.

5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.

У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:

маломощных цепей управления сложной бытовой техники;

слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).

Недостатки импульсных блоков питания

В/ч помехи

Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.

В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.

Ограничения по мощности

Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон.

Структура импульсных блоков питания.

Упрощённая структурная схема импульсного блока питания выглядит следующим образом:

  • Переменное напряжение сети 220 В преобразуется в постоянное выпрямителем.
  • Преобразователь включает в себя ШИМ-контроллер и силовой ключ. Контроллер — является схемой управления силовым ключём, который с частотой в десятки кГц подключает первичную обмотку трансформатора к выпрямленному напряжению сети.
  • Импульсный трансформатор
  • Выпрямитель вторичного напряжения преобразует импульсы напряжения со вторичной обмотки трансформатора в постоянное напряжение.
  • Схема стабилизации контролирует выходное напряжение блока питания и формирует сигнал обратной связи для ШИМ-контроллера.

Выпрямитель сетевого напряжения.

Выпрямитель сетевого напряжения выполняется по стандартной схеме:

Сетевое напряжение переменные 220 В выпрямляется диодным мостом и фильтруется конденсатором. В результате ИБП питается постоянным напряжением около 310 В.

Схема управления силовым ключом.

Упрощенно схему управления с силовым ключом и трансформатором можно отобразить так:

Схема управления (ШИМ контроллер) формирует управляющие импульсы для кратковременного открывания силового транзистора. В зависимости от режима схема увеличивает продолжительность управляющих импульсов при увеличении нагрузки (снижении выходного напряжения ниже нормы) и уменьшает продолжительность управляющих импульсов при уменьшении нагрузки (увеличении выходного напряжения выше нормы)

Работа импульсного трансформатора.

Трансформатор выполняет две функции:
— передача энергии из первичной цепи во вторичную с понижением напряжения;
— обеспечивает гальваническую развязку вторичных цепей блока питания от первичных цепей (напряжения сети).

Работу трансформатора в импульсном режиме поясняет следующая иллюстрация:

Работу ИБП условно разделим на два такта:

  • 1 такт — транзистор открыт, ток протекает через первичную обмотку трансфотматора, происходит намагничивание сердечника;
  • 2 такт — транзистор закрыт, происходит размагничиваие сердечника, ток протекает через вторичную обмотку трансформатора, подзаряжая конденсатор.

Частота работы блоков питания разных устройств может быть в диапазоне 1 — 100 кГц.

Выпрямитель вторичного напряжения.

Простейший выпрямитель вторичного напряжения импульсного блока питания состоит из диода и конденсатора.

Стабилизация вторичных напряжений.

Оптопара выполняет две функции:
— передаёт сигнал обратной связи по напряжению от схемы сравнения напряжения вторичной цепи к схеме управления ШИМ в первичной цепи блока питания;
— обеспечивает гальваническую развязку (как и трансформатор) вторичных цепей блока питания от первичных цепей (напряжения сети).

Схема стабилизации вторичного напряжения импульсного блока питания работает следующим образом:

Выпрямленное вторичное напряжение подаётся на делитель, средняя точка которого подключена к схеме сравнения.

  • Схема увеличивает ток светодиода оптопары при напряжении на входе более 2,5 В, приоткрывается транзистор оптопары и таким образом уменьшается продолжительность управляющих импульсов от схемы управления к силовому транзистору. Цепь этих событий приводит к снижению вторичного напряжения.
  • Соответственно схема сравнения уменьшает ток светодиода оптопары при снижении напряжения на входе ниже 2,5 В, что приводит к запиранию транзистора оптопары и увеличению длительности управляющих импульсов от схемы управления к силовому транзистору. Что в итоге приводит к увеличению вторичного напряжения.

В схемах с несколькими вторичными напряжениями схема стабилизации контролирует одно (реже два) вторичное напряжение и по нему (им) регулирует всю группу выходных напряжений. Высыхание ёмкости в той цепи, по которой производится стабилизация всей группы выходных напряжений приводит к увеличению напряжения во всех вторичных цепях. Высыхание ёмкости в любой другой вторичной цепи приводит к снижению напряжения только в этой цепи.

Схемы ИБП с описанием назначения элементов здесь .
Схема и принцип действия зарядного устройства HUAWEI здесь

Принцип действия импульсных блоков питания

Ремонт блоков питания спутниковых тюнеров

Зарядное устройство из блока питания ноутбука.
  • Заряд аккумулятора постоянным током, напряжение на батарее растёт, до величины 14,4 В (2,4 В на банку)
  • Заряд аккумулятора постоянным напряжением 14,4 В (при этом ток заряда постепенно снижается и при 100% заряде близок к 0)

Зарядное устройство из блока питания и ARDUINO.

Устройство заряжает АКБ до 100%, а если был выбран режим тест — разряжает АКБ до уровня 0% и высчитывает величину ёмкости, которую батарея смогла отдать в нагрузку. После окончания теста АКБ опять заряжается до уровня 100%.

Ремонт компьтерного блока питания Q-DION

Huawei 050055E1W

Зарядное устройство для сотового телефона НUAWEI. Схема и описание принципа действия.

Стилус графического планшета TRUST TB-6300

YKF25225-2 представляет из себя генератор, собранный по схеме емкостной трёхточки. Активным элементом генератора является транзистор Q1.

2m 5mm digital USB цифровой эндоскоп с Aliexpress.com

USB 500 X 2 Мп цифровой микроскоп на Aliexpress.com

Установил с диска, который шёл с микроскопом программу. Она мне не понравилась.

Запустил программу видеопроигрывателя, выбрал источник видеосигнала ВЕБ-камера. Микроскоп соединился без проблем.

Главная >> Электроника >> Принцип действия импульсных блоков питания

Блоки питания электронных устройств - устройство и принцип работы основных схем

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения.

Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств.

Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой  пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

  1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
  2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В.

Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме.

Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию.

Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм.

Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

  • Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
  • Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
  • На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
  • Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц.

Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток.

Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Пример миниатюрных импульсных БП

  • Далее вступает в работу выходной выпрямитель, поскольку он работает с высокочастотным напряжением, для процесса необходимы быстродействующие полупроводниковые элементы, поэтому для этой цели применяют диоды Шоттки.
  • На завершавшей фазе производится сглаживание на выгодном фильтре, после чего напряжение подается на нагрузку.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

  • частотно-импульсным;
  • фазо-импульсным;
  • широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется UП пилообразной формы, поступающее на вход компаратора КШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал UУС, поступающий с регулирующего усилителя.

Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности UП (опорное напряжение) и UРС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал UУС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (UOUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала UРС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

  • Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
  • Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
  • Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
  • Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
  • Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

  • различные виды зарядных устройств;
    Зарядки и внешние БП
  • внешние блоки питания;
  • электронный балласт для осветительных приборов;
  • БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

  • Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
  • Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
  • Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
  • Транзистор VT1 – KT872A.
  • Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
  • Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
  • Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 1

Реальная практика ремонта электроники

Один из самых важных блоков персонального компьютера — это, конечно, импульсный блок питания.

Для более удобного изучения работы блока есть смысл рассматривать каждый его узел по отдельности, особенно, если учесть, что все узлы импульсных блоков питания различных фирм практически одинаковые и выполняют одни и те же функции.

Все блоки питания рассчитаны на подключение к однофазной сети переменного тока 110/230 вольт и частотой 50 – 60 герц. Импортные блоки  на частоту 60 герц прекрасно работают и в отечественных сетях.

Основной принцип работы импульсных блоков питания заключается в выпрямлении сетевого напряжения с последующим преобразованием его в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое понижается трансформатором до нужных значений, выпрямляется и фильтруется.

Таким образом, основную часть схемы любого компьютерного блока питания, можно разделить на несколько узлов, которые производят определённые электрические преобразования. Перечислим эти узлы:

  • Сетевой выпрямитель. Выпрямляет переменное напряжение электросети (110/230 вольт).
  • Высокочастотный преобразователь (Инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное от выпрямителя в высокочастотное напряжение прямоугольной формы. К высокочастотному преобразователю отнесём и силовой понижающий импульсный трансформатор. Он понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, требуемых для питания электронных узлов компьютера.
  • Узел управления. Является «мозгом» блока питания. Отвечает за генерацию импульсов управления мощным инвертором, а также контролирует правильную работу блока питания (стабилизация выходных напряжений, защита от короткого замыкания на выходе и пр.).
  • Промежуточный каскад усиления. Служит для усиления сигналов от микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).
  • Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление — преобразование переменного низковольного напряжения в постоянное. Здесь же происходит стабилизация и фильтрация выпрямленного напряжения.

Это основные части блока питания компьютера. Их можно найти в любом импульсном блоке питания, начиная от простейшего зарядника для сотового телефона и заканчивая мощными сварочными инверторами. Отличия заключаются лишь в элементной базе и схемотехнической реализации устройства.

Довольно упрощённо структуру и взаимосвязь электронных узлов компьютерного блока питания (формат AT) можно изобразить следующим образом.

О всех этих частях схемы будет рассказано в дальнейшем.

Рассмотрим принципиальную схему импульсного блока питания по отдельным узлам. Начнём с сетевого выпрямителя и фильтра.

Сетевой фильтр и выпрямитель

Отсюда, собственно, и начинается блок питания. С сетевого шнура и вилки. Вилка используется, естественно, по «евростандарту» с третьим заземляющим контактом.

Следует обратить внимание, что многие недобросовестные производители в целях экономии не ставят конденсатор С2 и варистор R3, а иногда и дроссель фильтра L1. То есть посадочные места есть, и печатные дорожки тоже, а деталей нет. Ну, вот прям как здесь.

Как говорится: «No comment «.

Во время ремонта желательно довести фильтр до нужной кондиции. Резисторы R1, R4, R5 выполняют функцию разрядников для конденсаторов фильтра после того как блок отключен от сети. Термистор R2 ограничивает амплитуду тока заряда конденсаторов С4 и С5, а варистор R3 защищает блок питания от бросков сетевого напряжения.

Стоит особо рассказать о выключателе S1 («230/115»). При замыкании данного выключателя, блок питания способен работать от сети с напряжением 110…127 вольт. В результате выпрямитель работает по схеме с удвоением напряжения и на его выходе напряжение вдвое больше сетевого.

Если необходимо, чтобы блок питания работал от сети 220…230 вольт, то выключатель S1 размыкают. В таком случае выпрямитель работает по классической схеме диодный мост. При такой схеме включения удвоения напряжения не происходит, да это и не нужно, так как блок работает от сети 220 вольт.

В некоторых блоках питания выключатель S1 отсутствует. В других же его располагают на тыльной стенке корпуса и помечают предупреждающей надписью. Нетрудно догадаться, что если замкнуть S1 и включить блок питания в сеть 220 вольт, то это кончится плачевно. За счёт удвоения напряжения на выходе оно достигнет величины около 500 вольт, что приведёт к выходу из строя элементов схемы инвертора.

Поэтому стоит внимательнее относиться к выключателю S1. Если предполагается использование блока питания только совместно с сетью 220 вольт, то его можно вообще выпаять из схемы.

Вообще все компьютеры поступают в нашу торговую сеть уже адаптированными на родные 220 вольт. Выключатель S1 либо отсутствует, либо переключен на работу в сети 220 вольт. Но если есть возможность и желание то лучше проверить. Выходное напряжение, подаваемое на следующий каскад составляет порядка 300 вольт.

Можно повысить надёжность блока питания небольшой модернизацией. Достаточно подключить варисторы параллельно резисторам R4 и R5. Варисторы стоит подобрать на классификационное напряжение 180…220 вольт.

Такое решение сможет уберечь блок питания при случайном замыкании выключателя S1 и включении блока в сеть 220 вольт. Дополнительные варисторы ограничат напряжение, а плакий предохранитель FU1 перегорит.

При этом после несложного ремонта блок питания можно вернуть в строй.

Конденсаторы С1, С3 и двухобмоточный дроссель на ферритовом сердечнике L1 образуют фильтр способный защитить компьютер от помех, которые могут проникнуть по сети и одновременно этот фильтр защищает сеть от помех, создаваемых компьютером.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра

Характерные неисправности выпрямителя, это выход из строя одного из диодов «моста» (редко), хотя бывают случаи, когда выгорает весь диодный мост, или утечка электролитических конденсаторов (гораздо чаще).

Внешне это характеризуется вздутием корпуса и утечкой электролита. Подтёки очень хорошо заметны. При пробое хотя бы одного из диодов выпрямительного моста, как правило, перегорает плавкий предохранитель FU1.

При ремонте цепей сетевого выпрямителя и фильтра имейте в виду то, что эти цепи находятся под высоким напряжением, опасным для жизни! Соблюдайте технику электробезопасности и не забывайте принудительно разряжать высоковольные электролитические конденсаторы фильтра перед проведением работ!

Далее

Главная » Мастерская » Текущая страница

Импульсные блоки питания

Электрика »
Электроснабжение »
Источники питания »
Блоки питания »
Импульсные

ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРИМЕНЕНИЕ

Блок питания — это устройство, преобразующее сетевое напряжения до уровня, необходимого для работы электрических схем различных приборов. Вторичные источники электропитания часто используются для бытовой техники и промышленных установок, содержащих электронику.

Изначально источники вторичного напряжения строились по схеме, которую принято называть трансформаторной. Принцип её работы состоит в трансформации сетевого напряжения до необходимого уровня с последующим его выпрямлением и стабилизацией.

Типовая схема традиционного источника электропитания состоит из следующих элементов:

  • силовой понижающий трансформатор, содержащий одну или несколько вторичных обмоток, в зависимости от потребностей питаемой схемы; выпрямительный блок, как правило, выполняется по схеме диодного моста;
  • конденсатор фильтра, включенный между положительным и отрицательным выводами моста и необходимый для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, иногда для улучшения параметров фильтра, в схему добавляется дроссель;
  • стабилизатор выходного напряжения, построенный на основе специализированной микросхемы или содержащий ключевой транзистор и небольшую схему управления.

Эти схемы надёжны в работе, не создают высокочастотных помех, обеспечивают гальваническую развязку между первичными и вторичными цепями. Тем не менее есть ряд причин по которым они уступают блокам питания импульсного типа.

Трансформаторы, преобразующие напряжение с частотой 50 герц, отличаются относительно большими габаритами и весом. Это свойство трансформаторных источников электропитания вступило в противоречие с общими принципами миниатюризации бытовых и промышленных электроприборов.

Проблему удалось решить путём создания импульсных или инверторных блоков. Такие параметры трансформатора, как сечение магнитопровода, количество витков обмотки и сечение провода, существенно уменьшаются с увеличением частоты преобразуемого напряжения.

Это также относится к ёмкости, следовательно, и к габаритам фильтрующих конденсаторов. Этот базовый принцип электротехники был послужил основой при создании вторичных источников питания нового типа.

Как работает импульсный блок питания

Принцип работы импульсного блока питания заключается в ряде последовательных преобразований питающего напряжения:

  • выпрямление входного напряжения;
  • инвертирование, то есть, генерация сигнала с частотой от десятков до сотен килогерц;
  • трансформация высокочастотных импульсов до требуемого уровня;
  • выпрямление и фильтрация полученного напряжения.

Цепочка преобразований в описании принципа работы импульсного блока питания выглядит достаточно громоздкой и даже лишённой смысла. Однако нужно учесть что в данной схеме преобразуется напряжение, частота которого в отдельных моделях составляет 200 кГц (а не 50 Гц, как в трансформаторных источниках питания).

Трансформаторы, которые работают на высоких частотах, называют импульсными. Обычно они используют магнитопровод тороидальной формы (в виде бублика) небольшого размера. Это позволило уменьшить вес и габариты блока той же мощности более чем на порядок.

Тор обычно изготавливается штамповкой из пермаллоя — сплава, состоящего из железа и никеля, магнитопровод же низкочастотного трансформатора набирается из тонких пластин электротехнической стали.

Принцип инверторного преобразования дает возможность создать сверхминиатюрные аппараты электродуговой сварки, работа которых возможна от обычной бытовой розетки, способные сваривать металл до 10 мм толщиной, легко переносимые в небольшой сумке с плечевым ремнём.

Базовые принципы, на которых основано устройство импульсного блока питания не новы, всё находится в рамках давно устоявшихся представлений об электричестве. Что же мешало создать их раньше? Причина в технологии.

Главными электронными компонентами инверторного преобразователя импульсного блока являются элементы схемы, способные работать с высокими частотой и напряжением и большими токовыми нагрузками.

Раньше, компонентов, отвечающих этим требованиям, просто не существовало. Настоящий прорыв в развитии и распространении инверторных технологий произошёл после того, как мировым производителям электроники удалось наладить массовое производство мощных IGBT – транзисторов, а также полевых транзисторов по технологии MOSFET.

Они отличаются очень малым значением тока управления, что обеспечивает высокий КПД блока.

Кроме мощных транзисторных ключей, инвертор содержит времязадающие цепочки, генерирующие высокочастотные сигналы управления транзисторами.

Применение в этом качестве цифровых микросхем ШИМ – контроллеров позволяет ещё более миниатюризировать электронную часть. Контроллер широтно импульсного модулирования формирует прямоугольные периодические импульсы. В целом схемотехнически импульсные блоки питания относительно просты.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счёт обратной связи этого параметра с задающими цепями ШИМ – контроллера. Принцип работы обратной связи — при отклонении уровня контролируемого параметра на выходе от номинального значения происходит изменение скважности импульсов, формируемых контроллером.

Скважностью импульсов называется безразмерная величина, равная отношению периода чередования этих импульсов к их длительности. Таким образом, скважность изменяется от 0 до 1.

Увеличение уровня выходного напряжения вызывает снижение скважности и наоборот, то есть, имеет место отрицательная обратная связь. Скважность, задаваемая контроллером, определяет режим работы ключевых транзисторов. Чем выше значение скважности, тем большую часть периода транзистор открыт, и тем больше среднее значение напряжение за период.

Описанный принцип стабилизации обеспечивает работу блока питания в очень широком диапазоне изменения питающего напряжения. Резюмируя сказанное, преимущества импульсных блоков питания таковы:

  • малые габариты и вес по сравнению с трансформаторными источниками питания;
  • схемотехническая простота, обусловленная применением интегральных электронных компонентов;
  • возможность работы в широком диапазоне изменения значений входного напряжения.

Применение импульсных блоков

Источники вторичного напряжения инверторного типа используются повсеместно, как в быту, так и в промышленной технике. Перечень устройств и бытовых приборов, в которых реализована схема электропитания, работающая по принципу инверторного преобразователя:

  • все виды компьютерной техники;
  • телевизионная и звуковоспроизводящая аппаратура;
  • пылесосы, стиральные машины, кухонная техника;
  • источники бесперебойного электроснабжения различного назначения;
  • системы видеонаблюдения, комплексы охранной сигнализации.

Исполнение инверторных источников зависит от условий эксплуатации и назначения. Блоки питания, встроенные в электроприбор, выполняются бескорпусными. Они могут располагаться внутри основного изделия на отдельной плате, или быть интегрированы в общую плату электроприбора.

Существуют источники электропитания для автономного применения, к ним могут подключаться различные потребители. Примером могут служить зарядные устройства, источники электропитания систем видеонаблюдения, охранной и пожарной сигнализации. Такие блоки питания размещаются в отдельном корпусе и комплектуются штекерами и проводами для подключения.

  *  *  *

© 2014-2020 г.г. Все права защищены.Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Блоки питания для ПК: принципы работы и основные узлы

Современные блоки питания для ПК являются довольно сложными устройствами. При покупке компьютера мало кто обращает внимание на марку предустановленного в системе БП.

Впоследствии некачественное или недостаточное питание может вызвать ошибки в программной среде, стать причиной потери данных на носителях и даже привести к выходу из строя электроники ПК.

Понимание хотя бы базовых основ и принципов функционирования блоков питания, а также умение определить качественное изделие позволит избежать различных проблем и поможет обеспечить долговременную и бесперебойную работу любого компьютера.

Структура типичного блока питания

Компьютерный блок питания состоит из нескольких основных узлов. Детальная схема устройства представлена на рисунке. При включении сетевое переменное напряжение подается на входной фильтр [1], в котором сглаживаются и подавляются пульсации и помехи. В дешевых блоках этот фильтр часто упрощен либо вообще отсутствует.

Далее напряжение попадает на инвертор сетевого напряжения [2]. В сети проходит переменный ток, который меняет потенциал 50 раз в секунду, т. е. с частотой 50 Гц.

Инвертор же повышает эту частоту до десятков, а иногда и сотен килогерц, за счет чего габариты и масса основного преобразующего трансформатора сильно уменьшаются при сохранении полезной мощности.

Для лучшего понимания данного решения представьте себе большое ведро, в котором за раз можно перенести 25 л воды, и маленькое ведерко емкостью 1 л, в котором можно перенести такой же объем за то же время, но воду придется носить в 25 раз быстрее.

Импульсный трансформатор [3] преобразовывает высоковольтное напряжение от инвертора в низковольтное. Благодаря высокой частоте преобразования мощность, которую можно передать через такой небольшой компонент, достигает 600–700 Вт. В дорогих БП встречаются два или даже три трансформатора.

Рядом с основным трансформатором обычно имеются один или два меньших, которые служат для создания дежурного напряжения, присутствующего внутри блока питания и на материнской плате всегда, когда к БП подключена сетевая вилка. Этот узел вместе со специальным контроллером отмечен на рисунке цифрой [4].

Пониженное напряжение поступает на быстрые выпрямительные диодные сборки, установленные на мощном радиаторе [5]. Диоды, конденсаторы и дроссели сглаживают и выпрямляют высокочастотные пульсации, позволяя получить на выходе почти постоянное напряжение, которое идет далее на разъемы питания материнской платы и периферийных устройств.

Типичная информационная наклейка БП. Основная задача – информирование пользователя о максимально допустимых токах по линиям питания, максимальных долговременной и кратковременной мощностях, итоговой комбинированной мощности, которую способен отдать БП Конструкция модульных разъемов блоков питания может быть самой разной. Их применение допускает отключение силовых кабелей, не востребованных в отдельно взятом системном блоке

В недорогих блоках применяется так называемая групповая стабилизация напряжений. Основной силовой дроссель [6] сглаживает только разницу между напряжениями +12 и +5 В. Подобным образом достигается экономия на количестве элементов в БП, но делается это за счет снижения качества стабилизации отдельных напряжений.

Если возникает большая нагрузка на каком-то из каналов, напряжение на нем снижается. Схема коррекции в блоке питания, в свою очередь, повышает напряжение, стараясь компенсировать недостачу, но одновременно возрастает напряжение и на втором канале, который оказался малонагруженным. Налицо своеобразный эффект качелей.

Отметим, что дорогие БП имеют выпрямительные цепи и силовые дроссели, полностью независимые для каждой из основных линий.

Кроме силовых узлов в блоке есть дополнительные – сигнальные.

Это и контроллер регулировки оборотов вентиляторов, часто монтируемый на небольших дочерних платах [7], и схема контроля за напряжением и потребляемым током, выполненная на интегральной микросхеме [9].

Она же управляет работой системы защиты от коротких замыканий, перегрузки по мощности, перенапряжения или, наоборот, слишком низкого напряжения.

Кожух блока питания с установленным 120-миллиметровым вентилятором. Часто для формирования необходимого воздушного потока используются специальные вставки-направляющие

Зачастую мощные БП оснащены активным корректором коэффициента мощности. Старые модели таких блоков имели проблемы совместимости с недорогими источниками бесперебойного питания.

В момент перехода подобного устройства на батареи напряжение на выходе снижалось, и корректор коэффициента мощности в БП интеллектуально переключался в режим питания от сети 110 В. Контроллер бесперебойного источника считал это перегрузкой по току и послушно выключался.

Так вели себя многие модели недорогих ИБП мощностью до 1000 Вт. Современные блоки питания практически полностью лишены данной «особенности».

Многие БП предоставляют возможность отключать неиспользуемые разъемы, для этого на внутренней торцевой стенке монтируется плата с силовыми разъемами [8].

При правильном подходе к проектированию такой узел не влияет на электрические характеристики блока питания.

Но бывает и наоборот, некачественные разъемы могут ухудшать контакт либо неверное подключение приводит к выходу комплектующих из строя.

Для подключения комплектующих к БП используется несколько стандартных типов штекеров: самый крупный из них – двухрядный – служит для питания материнской платы.

Ранее устанавливались двадцатиконтактные разъемы, но современные системы имеют большую нагрузочную способность, и в результате штекер нового образца получил 24 проводника, причем часто добавочные 4 контакта отсоединяются от основного набора.

Кроме силовых каналов нагрузки, на материнскую плату передаются сигналы управления (PS_ON#, PWR_OK), а также дополнительные линии (+5Vsb, -12V). Включение проводится только при наличии на проводе PS_ON# нулевого напряжения. Поэтому, чтобы запустить блок без материнской платы, нужно замкнуть контакт 16 (зеленый провод) на любой из черных проводов («земля»).

Исправный БП должен заработать, и все напряжения сразу же установятся в соответствии с характеристиками стандарта ATX. Сигнал PWR_OK служит для сообщения материнской плате о нормальном функционировании схем стабилизации БП. Напряжение +5Vsb используется для питания USB-устройств и чипсета в дежурном режиме (Standby) работы ПК, а -12 – для последовательных портов RS-232 на плате.

На данном рисунке показана распиновка контактов блоков питания, традиционно используемых в современных ПК

Стабилизатор процессора на материнской плате подключается отдельно и использует четырех- либо восьмиконтактный кабель, подающий напряжение +12 В. Питание мощных видеокарт с интерфейсом PCI-Express осуществляется по одному 6-контактному либо по двум разъемам для старших моделей.

Существует также 8-контактная модификация данного штекера. Жесткие диски и накопители с интерфейсом SATA используют собственный тип контактов с напряжениями +5, +12 и +3,3 В.

Для старых устройств подобного рода и дополнительной периферии имеется 4-контактный разъем питания с напряжениями +5 и +12 В (так называемый molex).

Основное потребление мощности всех современных систем, начиная с Socket 775, 754, 939 и более новых, приходится на линию +12 В. Процессоры могут нагружать данный канал токами до 10–15 А, а видеокарты до 20–25 А (особенно при разгоне). В итоге мощные игровые конфигурации с четырехъядерными CPU и несколькими графическими адаптерами запросто «съедают» 500–700 Вт.

Материнские платы со всеми распаянными на РСВ контроллерами потребляют сравнительно мало (до 50 Вт), оперативная память довольствуется мощностью до 15–25 Вт для одной планки. А вот винчестеры, хоть они и неэнергоемкие (до 15 Вт), но требуют качественного питания.

Чувствительные схемы управления головками и шпинделем легко выходят из строя при превышении напряжения +12 В либо при сильных пульсациях.

Качественное тестирование современных блоков питания можно провести лишь на специализированных стендах. На фото показана электронная начинка одного из них. Для теплового рассеивания больших мощностей применяется массивный радиатор, обдуваемый скоростными вентиляторами

На наклейках блоков питания часто указывают наличие нескольких линий +12 В, обозначаемых как +12V1, +12V2, +12V3 и т. д. На самом деле в электрической и схемотехнической структуре блока они в абсолютном большинстве БП представляют собой один канал, разделенный на несколько виртуальных, с различным ограничением по току.

Данный подход применен в угоду стандарту безопасности EN-60950, который запрещает подводить мощность свыше 240 ВА на контакты, доступные пользователю, поскольку при возникновении замыкания возможны возгорания и прочие неприятности. Простая математика: 240 ВА/12 В = 20 А.

Поэтому современные блоки обычно имеют несколько виртуальных каналов с ограничением по току каждого в районе 18–20 А, однако общая нагрузочная способность линии +12 В не обязательно равна сумме мощностей +12V1, +12V2, +12V3 и определяется возможностями используемого в конструкции преобразователя.

Все заявления производителей в рекламных буклетах, расписывающие огромные преимущества от множества каналов +12 В, – не более чем умелая маркетинговая уловка для непосвященных.

Многие новые блоки питания выполнены по эффективным схемам, поэтому выдают большую мощность при использовании маленьких радиаторов охлаждения. Примером может служить распространенная платформа FSP Epsilon (FSPxxx-80GLY/GLN), на базе которой построены БП нескольких производителей (OCZ GameXStream, FSP Optima/Everest/Epsilon).

Современные мощные видеокарты потребляют большое количество энергии, поэтому давно подключаются отдельными кабелями к БП независимо от материнской платы. Новейшие модели оснащаются шести- и восьмиконтактными штекерами. Часто последний имеет отстегивающуюся часть, для удобства подсоединения к меньшим разъемам питания видеокарт.

Надеемся, что после рассмотрения основных узлов блоков питания читателям уже понятно: за последние годы конструкция БП стала значительно сложнее, она подверглась модернизации и сейчас для полноценного всестороннего тестирования требует квалифицированного подхода и наличия специального оборудования.

Невзирая на общее повышение качества доступных рядовому пользователю блоков, существуют и откровенно неудачные модели. Поэтому при выборе конкретного экземпляра БП для вашего компьютера нужно ориентироваться на подробные обзоры данных устройств и внимательно изучать каждую модель перед покупкой.

Ведь от блока питания зависит сохранность информации, стабильность и долговечность работы компонентов ПК в целом.

Суммарная мощность – долговременная мощность потребления нагрузкой, допустимая для блока питания без его перегрева и повреждений. Измеряется в ваттах (Вт, W).

Конденсатор, электролит – устройство для накопления энергии электрического поля. В БП используется для сглаживания пульсаций и подавления помех в схеме питания.

Дроссель – свернутый в спираль проводник, обладающий значительной индуктивностью при малой собственной емкости и небольшом активном сопротивлении. Данный элемент способен запасать магнитную энергию при протекании электрического тока и отдавать ее в цепь в моменты больших токовых перепадов.

Полупроводниковый диод – электронный прибор, обладающий разной проводимостью в зависимости от направления протекания тока. Применяется для формирования напряжения одной полярности из переменного. Быстрые типы диодов (диоды Шоттки) часто используются для защиты от перенапряжения.

Трансформатор – элемент из двух или более дросселей, намотанных на единое основание, служащий для преобразования системы переменного тока одного напряжения в систему тока другого напряжения без существенных потерь мощности.

ATX – международный стандарт, описывающий различные требования к электрическим, массогабаритным и другим характеристикам корпусов и блоков питания.

Пульсации – импульсы и короткие всплески напряжения на линии питания. Возникают из-за работы преобразователей напряжения.

Коэффициент мощности, КМ (PF) – соотношение активной потребляемой мощности от электросети и реактивной. Последняя присутствует всегда, когда ток нагрузки по фазе не совпадает с напряжением сети либо если нагрузка является нелинейной.

Активная схема коррекции КМ (APFC) – импульсный преобразователь, у которого мгновенный потребляемый ток прямо пропорционален мгновенному напряжению в сети, то есть имеет только линейный характер потребления. Этот узел изолирует нелинейный преобразователь самого БП от электросети.

Пассивная схема коррекции КМ (PPFC) – пассивный дроссель большой мощности, который благодаря индуктивности сглаживает импульсы тока, потребляемые блоком. На практике эффективность подобного решения довольно низкая.

Оптрон PC817 схема включения, характеристики

Мне кажется, что транзисторный оптрон PC817 самый распространенный хотя бы потому, что он стоит практически в каждом импульсном блоке питания для гальванической развязки цепи обратной связи.

Корпус достаточно компактный:

  • шаг выводов – 2,54 мм;
  • между рядами – 7,62 мм.

Производитель PC817 – Sharp, многие другие производители электронных компонентом выпускают аналоги. И при ремонте электронной аппаратуры можно наткнутся именно на аналог:

  • Siemens – SFH618
  • Toshiba – TLP521-1
  • NEC – PC2501-1
  • LITEON – LTV817
  • Cosmo – KP1010

Кроме одинарного оптрона PC817 выпускаются его полные аналоги:

  • PC827 — сдвоенный;
  • PC837 – строенный;
  • PC847 – счетверенный.

PC817 схема включения

Для PC817 схема включения стандартная как для любого транзисторного оптрона: на входе нужно ограничивать ток — например с помощью резистора, на выходетакже не стоит превышать ток.

Но дешевле использовать несколько PC817 вместо многоканального аналога.

PC817 характеристики

Характеристики светодиода:

  • Прямой ток — 50 мА;
  • Пиковый прямой ток — 1 А;
  • Обратное напряжение — 6 В;
  • Рассеяние мощности — 70 мВт.

Характеристики фототранзистора:

  • Напряжение коллектор-эмиттер — 35 В;
  • Напряжение эмиттер-коллектор — 6 В;
  • Ток коллектора — 50 мА;
  • Мощность рассеяния коллектора — 150 мВт.

Есть ещё важный параметр — коэффициент передачи по току (CTR) измеряемый в %. В оптопаре PC817 он определяется буквой после основного кода, также как и большинстве других оптопар и других полупроводниковых приборов.

№ модели Метка коэффициента CTR (%)
PC817A A 80 — 160
PC817B B 130 — 260
PC817C C  200 — 400
PC817D D  300 — 600
PC8*7AB A или B  80 — 260
PC8*7BC B или C  130 — 400
PC8*7CD C или D  200 — 600
PC8*7AC A,B или C  80 — 400
PC8*7BD B,C или D  130 — 600
PC8*7AD A,B,C или D  80 — 600
PC8*7 A,B,C,D или без метки  50 — 600

* — 1, 2, 3 или 4.

тестер оптопар

На многих форумах можно прочитать, что раз деталь такая дешевая, то и проверять её не стоит, а просто меняем и все. У меня против этого мнения следующие доводы: все равно нужно узнать сгорела оптопара или нет, потому что это поможет понять, что ещё могло сгореть, да и новый оптрон может оказаться бракованным.
Проверить оптопару можно прозвонив тестером светодиод и проверить на короткое замыкание транзистор, потом пропустить через светодиод ток и посмотреть, что транзистор открылся.

Но проще всего соорудить простейший тестер оптопар, для него понадобятся только:

  • Два светодиода,
  • Две кнопки,
  • Два резистора.

Светодиоды подойдут на ток 5-20 мА и напряжение около 2-х вольт, R1, R2 — 300 Ом.

Питается тестер от USB порта получая от него 5 В, но можно питать тестер и от 3-х или 4-х батареек AA. Можно питать и от батарейки 9 В или 12 В или источника питания, вот только тогда нужно будет пересчитать сопротивления резисторов R1, R2.

Ремонт импульсных блоков питания сетевых коммутаторов, схемы, принцип работы и основные неисправности

Сетевые коммутаторы фирмы СОМРЕХ достаточно часто применяется при построении офисных компьютерных сетей из-за оптимального соотношения цена - качество. В данной статье рассмотрим опробованный на практике вариант восстановления работоспособности блока питания коммутатора СОМРЕХ SXP1210.


Рис. 1. Схема блока питания коммутатора Compex SXP1210 на микросхеме ШИМ-контроллера SK8060, силовой ключ 2sk2750.

В ходе диагностики неисправностей в блоке питания коммутатора СОМРЕХ SXP1210 были выявлены следующие неисправные радиодетали (см. схему на рис. 1): микросхема ШИМ-контроллера IC2 типа SK8060, полевой транзистор Q1 типа 2SK2750 и обрывной резистор R1. Основными проблемами при ремонте данного блока питания были невозможность купить импортную микросхему SK8060 и отсутствие какой-либо технической документации (datasheet pdf). Данная микросхема ШИМ-контролера используется так же в блоке питания ACE 716C.

При анализе принципиальной схемы блока питания на микросхеме SK8060 было отмечено, что схема шим-контроллера очень напоминает схему включения широко распространенной микросхемы UC3842 фирмы UNITRODE, но, судя по всему, SK8060 является усовершенствованной модификацией UC3842, требующим меньшего количества внешних электронных компонентов. Исходя из этого, было решено произвести замену SK8060 на UC3842 или на ее аналог UC3844.


Рис. 2. Схема импульсного блока питания на микросхеме ШИМ-контроллера UC3844

Вариант схемы импульсного блока питания с использованием микросхемы UC3844 (полный аналог КА3844В) фирмы FAIRCHILD приведен на рис. 2. Из первоначальной схемы исключены элементы R1, R3 и DZ1. На рис. 1 вывод конденсатора С6 отключен от общего провода и подключен к выводу 2 микросхемы КА3844В, емкость конденсатора С6 уменьшена до 100 пФ. Выводы 3 и 4 оптрона IC1 отключены от выводов 7 и 1 микросхемы IC2 и подсоединены к выводам 8 и 2 соответственно. Соединенные вместе левый вывод резистора R6 и верхний вывод конденсатора С5 отключены от вывода 4 микросхемы IC2 и подключены к выводу 3. Верхний по схеме вывод конденсатора С7 переключен с вывода 3 микросхемы IC2 на ее вывод 4, емкость конденсатора С7 уменьшена до 2,2 нФ. Вновь введены элементы R21 (10 кОм), R22 (150 кОм), R23 (1 10кОм) и С21 (10 нФ).

Резистор R1 с надписью на корпусе fuse предохранитель, предназначенный для ограничения броска тока заряда конденсатора СЗ, был заменен обычным плавким предохранителем на ток 0,5 А. Резистор R3 исключен, т.к. в типовой схеме включения микросхемы UC3842 отвод от первичной обмотки импульсного трансформатора Т1 не используется, по этой же причине исключен и стабилитрон DZ1.

Вновь введенный резистор R21 и конденсатор С7 являются частотозадающими элементами для внутреннего генератора микросхемы IC2. Частота генерации определяется по следующей формуле: f[кГц] = (1,72/(R21[kOм] х С7[мкФ]). Поскольку рабочий цикл микросхемы составляет 50%, то частота внутреннего генератора выбрана в два раза выше частоты преобразования (в данном случае при номиналах R21 - 10 кОм и С7 - 2,2 нФ частота генератора составляет около 78 кгц). В случае применения микросхемы UC3842 частота внутреннего генератора выбирается равной частоте преобразования. Конденсатор С21, подключенный к выходу источника опорного напряжения 5 В (вывод 8) микросхемы КА3844В, выполняет функцию блокировочного.

Элементы R22 и С6 являются компенсирующей цепью внутреннего усилителя ошибки. Вывод 2 микросхемы IC2 является отрицательным входом усилителя ошибки, и напряжение на нем определяется делителем, образованным резистором R23 и сопротивлением коллектор-эмиттер (выводы 3 и 4) фототранзистора оптрона IC1. Поскольку на положительный вход усилителя ошибки внутри микросхемы подано опорное напряжение 2,5 В, то подбором сопротивления резистора R23 необходимо установить на выводе 2 микросхемы IC2 напряжение 2,5 В при номинальном выходном напряжении блока питания 5 В. Проще всего это сделать следующим образом: подать на контакты «+5V» и «GND» разъема ТВ2 стабильное напряжение 5 В; временно отключить вывод 3 оптрона от остальной схемы, подключив его к контакту «+5V» разъема ТВ2; временно отключить верхний по схеме вывод резистора R23 (рис. 2) от общего провода сетевой части блока питания и соединить его с контактом «GND» разъема ТВ2, и далее подбором сопротивления R23 установить напряжение 2,5 В на выводе 4 IC1.

Остановимся на назначении других элементов в схеме на рис. 2. Через четыре включенных последовательно (для уменьшения рассеиваемой каждым резистором мощности) резистора R4.1 ...R4.4 на вывод 7 микросхемы КА3844В поступает напряжение питания для первоначального ее запуска, в дальнейшем в штатном режиме работы питающее напряжение снимается с отдельной обмотки трансформатора Т1 и после выпрямления однополупериодным выпрямителем D2C8 подается на вывод 7. Для получения вторичного напряжения 5 В также применяется однополупериодный выпрямитель на сдвоенном диоде D3 и LC-фильтр С11L2C12. Обратная связь в схеме блока питания выполнена с использованием оптрона IC1 типа РС123 фирмы SHARP. Отслеживание уровня выходного напряжения 5 В осуществляется при помощи трехвыводного стабилитрона (регулируемого параллельного стабилизатора) IC3 типа TL431C фирмы TEXAS INSTRUMENTS, на управляющий электрод которого через резистивный делитель поступает напряжение +5 В. Рассмотрим случай, когда выходное напряжение +5 В повышается. При превышении заданного делителем уровня на управляющем выводе стабилитрона IC3 он открывается, и начинает протекать ток через светодиод оптопары. В свою очередь, это приводит к увеличению тока через фототранзистор оптопары, в результате чего увеличивается напряжение на входе усилителя ошибки (вывод 2) микросхемы КА3844В. Это вызывает увеличение скважности импульсов на выходе КА3844В и уменьшение выходного напряжения ИП. Аналогичные описанным выше, но обратные по характеру процессы происходят в импульсном блоке питания и при уменьшении уровня выходного напряжения.

Вышедший из строя n-канальный полевой транзистор Q1 2SK2750 (Uси = 600 В; Iс = 3,5 А; Р = 35 Вт; S = 3000 мА/В; корпус T0-220F) фирмы TOSHIBA можно заменить на транзистор этой же фирмы 2SK1118 (Uси = 600 В; Iс = 6 А; Р = 35 Вт; S = 3000 мА/В; корпус T0-220F).

В подобных импульсных блоках питания в случае выхода из строя полевого транзистора и ШИМ-контроллера UC3842 рекомендуется проверять также элементы, стоящие в цепи затвора транзистора силового ключа.

 

В большинстве моделей сетевых коммутаторах, блок питания выдает одно напряжение, и с точки зрения экономии сил и средств, установить вместо вышедшего из строя блока питания готовый, с требуемыми характеристиками, будет куда более правильным и оправданным решением. С другой стороны, если специалист электронщик будет часто прибегать к практике блочного ремонта, это неизбежно приведет к деградации и потери квалификации до такой степени, что метод блочного ремонта уже не будет помогать из-за неспособности не только локализовать неисправность, но и определить причину ее появления.

Как работает оптопара | ОРЕЛ

Необходимо защитить чувствительные низковольтные компоненты и изолировать цепи на вашей печатной плате? Оптопара может сделать эту работу. Да будет свет! Это устройство позволяет передавать электрический сигнал между двумя изолированными цепями, состоящими из двух частей: светодиода, излучающего инфракрасный свет, и светочувствительного устройства, которое обнаруживает свет от светодиода. Обе эти части содержатся в традиционном черном ящике с парой контактов для подключения. С первого взгляда легко перепутать оптопару с интегральной схемой (ИС).

Эта симисторная оптопара выглядит как ИС. (Источник изображения)

Как это работает

Сначала на оптопару подается ток

А, который заставляет инфракрасный светодиод излучать свет, пропорциональный току. Когда свет попадает на светочувствительное устройство, он включается и начинает проводить ток, как любой обычный транзистор.

Как работает оптрон. (Источник изображения)

Светочувствительное устройство по умолчанию обычно не подсоединяется, чтобы обеспечить максимальную чувствительность к инфракрасному свету.Его также можно подключить к земле с помощью внешнего резистора для большей степени контроля чувствительности переключения.

Оптопара эффективно изолирует выходную и входную цепи. (Источник изображения)

Это устройство в основном работает как переключатель, соединяющий две изолированные цепи на вашей печатной плате. Когда ток перестает течь через светодиод, светочувствительное устройство также перестает проводить и отключается. Все это переключение происходит через пустоту из стекла, пластика или воздуха без каких-либо электрических частей между светодиодом или светочувствительным устройством.Все дело в свете.

Преимущества и типы

Если вы разрабатываете электронное устройство, которое будет восприимчиво к скачкам напряжения, ударам молнии, скачкам напряжения питания и т. Д., Тогда вам понадобится способ защиты низковольтных устройств. При правильном использовании оптопара может эффективно:

  • Устранение электрических помех из сигналов
  • Изолируйте низковольтные устройства от высоковольтных цепей
  • Позволяет использовать небольшие цифровые сигналы для управления более высокими напряжениями переменного тока

Оптопары бывают четырех конфигураций.Каждая конфигурация использует один и тот же инфракрасный светодиод с другим светочувствительным устройством. К ним относятся:

Фототранзистор и Photo-Darlington , которые обычно используются в цепях постоянного тока, и Photo-SCR и Photo-TRIAC , которые используются для управления цепями переменного тока.

Четыре типа оптопар. (Источник изображения)

Если вы любите приключения, вы даже можете сделать самодельную оптопару с некоторыми запасными частями.Просто совместите светодиод и фототранзистор внутри светоотражающей пластиковой трубки.

Самодельная оптопара, состоящая всего из трех простых частей. (Источник изображения)

Типичные приложения

Оптопары

могут использоваться отдельно в качестве переключающего устройства или использоваться с другими электронными устройствами для обеспечения изоляции между цепями низкого и высокого напряжения. Обычно эти устройства используются для:

  • Микропроцессорное переключение входов / выходов
  • Контроль мощности постоянного и переменного тока
  • Защита коммуникационного оборудования
  • Регламент электропитания

В этих приложениях вы встретите различные конфигурации.Некоторые примеры включают:

Оптранзисторный переключатель постоянного тока

Эта конфигурация обнаруживает сигналы постоянного тока, а также позволяет управлять оборудованием с питанием от переменного тока. MOC3020 идеально подходит для управления подключением к сети или подачи импульса затвора на другой фото-симистор с токоограничивающим резистором.

(Источник изображения)

Симистор оптопара

Эта конфигурация позволит вам управлять нагрузками с питанием от переменного тока, такими как двигатели и лампы. Он также способен проводить обе половины цикла переменного тока с обнаружением перехода через ноль.Это позволяет нагрузке получать полную мощность без значительных скачков тока при переключении индуктивных нагрузок.

(Источник изображения)

Рекомендации по компоновке печатной платы

Перед добавлением оптопары в компоновку печатной платы примите во внимание следующие три правила:

  • Держите заземляющие соединения оптопары отдельно

Стандартная оптопара включает в себя два контакта заземления: один для светодиода, а другой - для светочувствительного устройства. Соединение обоих этих заземлений вместе откроет вашу чувствительную схему для любого шума от внешнего заземления.Чтобы избежать этого, всегда создавайте две точки подключения: одну для контактов внешнего заземления, а другую - для входных заземляющих проводов.

  • Выберите правильное значение резистора ограничения тока

Выбор резистора ограничения тока, который работает при минимальном значении оптопары, приведет к нестабильному поведению. Также можно выбрать резистор, обеспечивающий слишком большой ток, при котором светодиод лопнет. При выборе значения для резистора обязательно найдите значение минимального прямого тока из таблицы коэффициента передачи тока в таблице данных оптопары.У Vishay есть отличное руководство по чтению таблицы данных оптопары здесь.

  • Знайте, какой тип оптопары вам нужен

Не все оптопары созданы равными, и вам нужно будет выбрать правильный тип для вашего приложения. Например, опто-симистор используется, если вам нужно управлять нагрузкой переменного тока. Opto-Darlington предназначены только для малых входных токов. Если все, что вам нужно, это стандартная изоляция входа, то обычная оптопара PC817 справится с этой задачей. Эту статью от Nuts and Volts определенно стоит прочитать, чтобы понять типы и различия оптопар.

Библиотеки оптопар в EAGLE

Управляемые онлайн-библиотеки Autodesk EAGLE включают целую категорию оптопар для использования в вашем следующем проекте. Это лучше, чем создавать свои собственные пакеты и символы с нуля! Чтобы использовать эту библиотеку, убедитесь, что optocoupler.lbr активирован на панели управления Autodesk EAGLE, как показано ниже. Если это так, то в следующий раз, когда вам понадобится добавить компонент, у вас будет доступ ко всем этим устройствам.

Готовы начать изоляцию цепей и защиту низковольтных устройств? Загрузите Autodesk EAGLE бесплатно сегодня, чтобы начать использовать прилагаемые библиотеки оптопары!

Работа оптопары

  • Изучив этот раздел, вы должны уметь:
  • Описание различных режимов смещения, используемых в оптронах:
  • • Режим насыщенности.
  • • Линейный режим.
  • • Аналоговый режим.
  • Перечислите преимущества и недостатки транзисторных оптопар по сравнению с диодными:

Оптопары / оптоизоляторы

Оптопары или оптоизоляторы используются для передачи сигналов между двумя изолированными цепями с использованием различных методов, в основном в зависимости от типов связанных сигналов. Компьютерной системе и ее периферийным устройствам может потребоваться цифровой сигнал, такой как сигнал широтно-импульсной модуляции, приводящий в действие двигатель.В этом случае оптопара будет использоваться в режиме насыщения.

Импульсный источник питания может нуждаться в постоянном напряжении выборки переменного значения, которое должно подаваться обратно с выхода в систему управления напряжением во входной цепи источника питания, при этом сохраняется полная электрическая изоляция между входной и выходной цепями. В этом случае будет использоваться линейный режим, так как схема управления должна будет обнаруживать небольшие изменения напряжения постоянного тока.

Чтобы связать цепи, такие как усилители звука, где напряжение сигнала быстро меняется, но необходимо избегать насыщения и искажения, оптопары могут передавать сигналы с использованием аналогового режима, чтобы звук мог безопасно передаваться, например, с устройства ввода звука на мощное устройство. усилитель звука.

Рис. 5.1.1 Режим насыщения

Режим насыщения

В режиме насыщения выходной транзистор оптопары либо полностью «включен» (условия насыщения), либо полностью «выключен» (непроводящий). Оптопары, работающие в режиме насыщения, широко используются, например, для защиты выходных контактов микроконтроллеров, где они могут использоваться для управления устройствами вывода, такими как двигатели, которым может потребоваться больший ток и / или более высокое напряжение, чем может подаваться непосредственно от микроконтроллера. порт.

Тогда микроконтроллер эффективно управляет только инфракрасным светодиодом либо с помощью таких сигналов, как широтно-импульсная модуляция, данные шагового двигателя или простые сигналы включения и выключения. Изоляция, обеспечиваемая оптопарой, означает, что микроконтроллер также защищен от любых внешних высоких напряжений, таких как обратная ЭДС, которая может возникнуть при отключении индуктивной нагрузки, такой как двигатель. Оптопары также находят применение в модемах, обеспечивающих изоляцию между компьютерами и внешними телефонными линиями.

Рис. 5.1.2 Линейный режим

Линейный режим

Оптопары

могут использоваться для обратной связи по напряжению в схемах, таких как импульсные источники питания, где светодиод освещается образцом выходного напряжения, так что любые изменения напряжения вызывают изменение освещения светодиода оптопары и, следовательно, изменение в проводимость выходного транзистора оптопары, которая может использоваться для обозначения ошибки в схеме управления источником питания, позволяя компенсировать изменение выходного сигнала.Практический пример этой обратной связи и гальванической развязки, которую она обеспечивает с помощью оптопары в линейном режиме, можно увидеть в нашем модуле источников питания 3.4, где IC3 (4N25) обеспечивает образец выходного напряжения, которое будет возвращено в усилитель ошибки, управляющий цепь регулятора напряжения в IC1, обеспечивающая автоматический контроль напряжения, обеспечивая при этом полную электрическую изоляцию между выходной цепью 5 В постоянного тока и входной цепью с более высоким напряжением.

Рис. 5.1.3 Аудиовход в аналоговом режиме

Аналоговый режим

Как и в линейном режиме, фототранзисторам, используемым в аналоговом режиме, не разрешается насыщаться, но постоянное напряжение смещения постоянного тока, составляющее примерно половину напряжения питания, модулируется звуком, как показано на рис.5.1.3 или какой-либо другой быстро меняющийся сигнал. Это создает переменный ток в светодиодах, который, в свою очередь, создает переменный ток в выходном компоненте оптопары. Это может быть фототранзистор или очень часто фотодиод. Фототранзисторы, используемые в оптронах для звуковых целей, также могут использовать базовое соединение, доступное на некоторых оптопарах, для приложения подходящего смещения к фототранзистору, позволяющего получить неискаженный выходной аудиосигнал. Специализированные аудиооптопары, такие как IL300, показанные на рис.5.1.4 может использовать один или несколько фотодиодов для обеспечения более линейного отклика, чем те, которые используют только фототранзисторы.

Рис. 5.1.4 Оптрон IL300 Audio


В дополнение к обеспечению более линейного (с меньшими искажениями) отклика второй диод используется для обеспечения (изолированной) обратной связи с входной схемой, так что IL300 может автоматически компенсировать изменения CTR из-за изменений температуры и / или старения входной светодиод.

Рис.5.1.5 Аудиовход в аналоговом режиме

Фототранзистор в сравнении с фотодиодными оптопарами

Оптопары

, использующие выходы на фототранзисторах, могут передавать аналоговые аудиосигналы с частотой до нескольких десятков кГц. Изменение инфракрасного светового луча от светодиода на этих частотах затем приводит к изменению величины тока, генерируемого на базе выходного фототранзистора, при этом транзисторный выход следует за изменениями на входе и усиливает их.

Однако оптопары, использующие фототранзисторы, не имеют такой хорошей линейной зависимости между изменениями входного и выходного тока света, как типы фотодиодов, как показано на рис.5.1.5 поэтому возможно некоторое искажение сигнала. Фотодиодные устройства вывода предпочтительнее для использования в большинстве аудио (и некоторых цифровых) приложений, даже если их амплитуды выходного сигнала намного меньше, чем это возможно с усилением, обеспечиваемым фототранзистором; Причина этого - искажение фототранзистора и плохая работа на высоких частотах.

Это связано с тем, что фототранзистор имеет значительно увеличенную площадь базы, которая, увеличивая светочувствительность, также значительно увеличивает емкость перехода база / эмиттер.Эта увеличенная емкость также значительно ухудшается из-за «эффекта Миллера», который заставляет емкость база / эмиттер транзистора умножаться на коэффициент усиления по току (h fe ) транзистора. Следовательно, более высокие частоты постепенно уменьшаются по амплитуде, потому что реактивное сопротивление емкости база / эмиттер уменьшается, когда частота увеличивается намного выше звукового диапазона.

Цифровые сигналы также подвержены этому эффекту, потому что прямоугольные формы цифровых сигналов будут содержать много высокочастотных гармоник, которые способствуют быстрому нарастанию и спаду прямоугольной волны, так что нарастающие фронты сигнала становятся скругленными, а время переключения между 0 и 1 становится длиннее.

Высокоскоростные цифровые оптопары, используемые на частотах в сотни кГц и используемые для работы со звуком, обычно используют фотодиоды в качестве чувствительного элемента, потому что, хотя необходимо обеспечить некоторое дополнительное усиление, либо снаружи, либо внутри самого чипа оптопары, это компенсируется наличием быстрое время нарастания и спада для цифровой работы и более линейный отклик, обеспечивающий меньше искажений при использовании с аналоговым звуком.

Основная функция оптопары, независимо от типа используемого сигнала, заключается в обеспечении полной гальванической развязки между входными и выходными цепями.Важным преимуществом оптопар по сравнению с трансформаторами, которые также часто используются для изоляции, является то, что оптопары могут использоваться как с сигналами переменного, так и с постоянным током, тогда как трансформаторы могут работать только с переменным током.

Начало страницы

Выбор оптопары и ее использование для изоляции широтно-импульсной модуляции

Оптопара (или оптоизолятор) - это устройство, которое гальванически разделяет цепи и не только отлично развязывает, но и позволяет подключаться к цепям с разными плоскостями заземления или работающим при разном напряжении. уровни.Оптопары являются «отказоустойчивыми» в том смысле, что при воздействии на них напряжений, превышающих максимально допустимые, они, как известно, разрываются как разомкнутые цепи. Оптопара обеспечивает эту изоляцию, принимая сигналы, которые он принимает на свой вход, и передавая сигналы с помощью света на свой выход. Оптопара преобразует сигнал на своем входе в инфракрасный световой луч с помощью инфракрасного светоизлучающего диода (LED). Инфракрасный луч проходит через щель внутри корпуса оптопары и попадает в светочувствительное устройство (например,g., фотодиод, фототранзистор и т. д.), который снова преобразует свет в сигнал и отправляет его из оптопары в качестве выходного сигнала. Оптопара имеет воздушный зазор или изолирующее стекло внутри для пересечения луча, поэтому электрическое соединение между входной и выходной сторонами оптопары отсутствует. Обычно используется оптопара ON Semiconductor 4N25 (ранее Fairchild), как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. ON Semi 4N25 - хороший базовый пример, но официально он устарел. Тем не менее, существует множество вариантов оригинального номера детали.(Источник: техническое описание ON Semiconductor) Оптопары

обеспечивают полную гальваническую развязку между цепями на входных и выходных клеммах оптопары. Выход оптопары отражает входной сигнал, и подключение оптопары похоже на работу светодиода, для чего может потребоваться использование токоограничивающего резистора (см. Техническое описание оптопары). Хотя оптопары ограничены частотой, на которой они могут работать (которая в основном зависит от типа фоторецептора внутри), оптопары обеспечивают защиту от перенапряжения, переходных процессов высокого напряжения и могут использоваться для устранения шума за пределами рабочего диапазона оптопары.Кажется, что оптопары лучше всего использовать в цифровой среде, однако можно использовать оптопары для изоляции сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Однако скорость оптрона является ключевым моментом; минимальная ширина импульса ШИМ должна быть больше, чем скорость переключения оптопары. Но как вы извлекаете эту информацию из таблицы данных оптопары?

Проще говоря, частота ШИМ (F PWM ) (Гц) связана с максимальным числом шагов, которое должна достигать оптопара.Возможно, лучше всего сначала провести некоторые расчеты, чтобы поэкспериментировать с возможностями на бумаге, что более эффективно, чем угадывать и покупать оптопары, чтобы увидеть, работают ли они.

Быстрый расчет может быть выполнен, если вы знаете частоту ШИМ (F PWM ), а также время нарастания (t R ) и время спада (t F ) оптопары: F PWM = 2 / n (t R + t F ), где n - количество дискретных шагов, которые может выдержать оптрон.Решите относительно n:

n = 2 / [F PWM (t R + t F )]

, и у вас есть количество шагов, которое оптопара должна поддерживать, на основе заданного времени нарастания и спада в таблице данных оптопары.

Пример 1: 4N25

Списки 4N25 включаются и выключаются только при 2 мкс и 10 мкс (макс.). Решив для n, вы обнаружите, что при частоте ШИМ 2 кГц оптопара 4N25 может видеть максимум 83 шага. Если вы не захотите снизить частоту вашего ШИМ до гораздо более низкой частоты, количество шагов, которые сможет разрешить оптопара 4N25, будет недостаточным.Однако 4-битный ШИМ дает 16 шагов (2 4 = 16), и поскольку 4N25 может достигать до 83 шагов, эти параметры могут работать вместе. Но если вы хотите работать с более высокой частотой или разрешением, лучше использовать высокоскоростной оптрон.

Пример 2: FOD8012A

Давайте посмотрим на более дорогую оптопару, такую ​​как ON Semi FOD8012A, у которой t R и t F вместе 13 нс, с тем же ШИМ 2 кГц. Решение для n дает нам 7 692 шага.Следовательно, эта оптопара может разрешить 7 692 шага от ШИМ, работающего на частоте 2 кГц. Если у вас есть 10-битный ШИМ, который имеет 1024 шага (2 10 = 1024), эта высокоскоростная оптопара будет излишней, поскольку оптопара может обрабатывать более 7000 шагов на этой частоте ШИМ 2 кГц. Дело в том, что следующим шагом является поиск более дешевой оптопары и повторный расчет, пока вы не найдете оптопару с наименьшей стоимостью, но все еще значительно превышающую ваше разрешение ШИМ на вашей конкретной частоте. (Мне всегда казалось, что «цена» - это «спецификация», но производители не любят так думать.В качестве альтернативы вы можете увидеть, что если вы увеличите частоту ШИМ до 20 кГц, вы получите 769 шагов от Fairchild FOD8012A. После нескольких итераций вычислений вы начинаете понимать, что может сработать.

Имейте в виду, что оптопары сильно различаются во многих отношениях, в том числе по характеристикам устройств от производителя к производителю. Выше показан эскиз того, как сузить выбор перед тестированием оптопары в вашей схеме.

Приложения

Оптопары

используются в регуляторах питания, в качестве защиты входов микропроцессоров и других чувствительных устройств, а также во многих других приложениях.Оптопары также интегрируются в другие устройства, такие как переключатели и реле (и продаются как изолированные переключатели и изолированные реле) для использования в измерениях, контрольно-измерительных приборах, промышленном управлении и испытательном оборудовании.

Рис. 2. Vishay VOR2142 - это твердотельное реле с оптической развязкой и пиковым напряжением нагрузки 400 В. Корпус оптопары выглядит как типичная интегрированная микросхема (слева). (Источник: vishay.com.)

Введение в оптопары - типы, работа и применение

Оптоизоляторы или оптопары состоят из светоизлучающего устройства и светочувствительного устройства, упакованных в одну упаковку. но без электрического соединения между ними, только луч света.Излучателем света почти всегда является светодиод. Светочувствительное устройство может быть фотодиодом, фототранзистором или другими эзотерическими устройствами, такими как тиристоры, симисторы и т. Д.

В настоящее время во многих электронном оборудовании используется оптопара в цепи. Оптопара или иногда называемый оптопарами позволяет двум цепям обмениваться сигналами, оставаясь при этом электрически изолированными. Обычно это достигается с помощью света для передачи сигнала. В стандартной схеме оптопары используется светодиод, светящий на фототранзистор - обычно это транзистор npn, а не pnp.Сигнал подается на светодиод, который затем светит на транзистор в ИС.

Свет пропорционален сигналу, поэтому сигнал передается на фототранзистор. Оптические соединители также могут поставляться в нескольких модулях, таких как SCR, фотодиоды, TRIAC других полупроводниковых переключателей в качестве выхода, а также лампы накаливания, неоновые лампы или другие источники света.

Чаще всего используется оптопара MOC3021 и комбинация диакритических светодиодов. Эта ИС сопрягается с микроконтроллером, а светодиод последовательно соединен с ИС, который светится, указывая на высокий логический импульс от микроконтроллера, чтобы мы могли знать, что ток течет во внутреннем светодиоде опто-ИС.Когда задан высокий логический уровень, ток течет через светодиод от контакта 1 к 2. Таким образом, в этом процессе светодиодный индикатор попадает на DIAC, вызывая замыкание 6 и 4. В течение каждого полупериода ток протекает через затвор, последовательный резистор и через оптическую схему, чтобы главный тиристор / симистор запускал работу нагрузки.

Оптопара обычно используется в схемах импульсного источника питания во многих электронных устройствах. Он подключается между первичной и вторичной секциями источников питания. Применение или функция оптопары в схеме:

  1. Монитор высокого напряжения
  2. Выборка выходного напряжения для регулирования
  3. Микро системного управления для включения / выключения питания
  4. Изоляция заземления

Это принцип, используемый в Opto -Diacs, Opto-Diacs доступны в виде микросхем и могут быть реализованы с использованием простой схемы.

Просто подайте небольшой импульс в нужный момент на светоизлучающий диод в корпусе. Свет, излучаемый светодиодом, активирует светочувствительные свойства диака, и включается питание. Изоляция между цепями малой и высокой мощности в этих оптически связанных устройствах обычно составляет несколько тысяч вольт.

Описание выводов Opto-Diacs:

Доступно 4 различных оптических соединителя

1. MOC3020

Он поставляется в 6-контактном DIP, показанном на рисунке:

Принцип работы MOC3020:

MOC3020 предназначен для взаимодействия между электронное управление и силовой симистор для управления резистивными и индуктивными нагрузками при работе с переменным током.Принцип, используемый в оптопарке, заключается в том, что МОС быстро доступны в форме интегральной схемы и не требуют очень сложной схемы, чтобы заставить их работать. Просто подайте небольшой импульс в нужный момент светодиоду в упаковке. Свет, излучаемый светодиодом, активирует светочувствительные свойства диака, и включается питание. Изоляция между цепями малой и высокой мощности в этих оптически связанных устройствах обычно составляет несколько тысяч вольт.

Характеристики MOC3020:
  • Выходной сигнал драйвера фото-триака 400 В
  • Источник инфракрасного излучения на арсенид-галлиевом диоде и кремниевый симистор с оптической связью
  • Высокая изоляция - пик 500 В
  • Выходной драйвер разработан для 220 В переменного тока
  • Стандарт 6-контактный пластиковый DIP
  • Непосредственно взаимозаменяемый с Motorola MOC3020, MOC3021 и MOC3022
Типичные области применения MOC3020:
  • Управление соленоидами / клапанами
  • Балласты ламп
  • Взаимодействие микропроцессоров с периферийными устройствами 115/240 В перем.
  • Диммеры ламп накаливания
Применение MOC3020:

Схема, показанная ниже, представляет собой типичную схему, используемую для управления нагрузкой переменного тока с микроконтроллера, один светодиод может быть подключен последовательно к MOC3021, светодиод для индикации, когда высокий уровень выдается с микроконтроллера, например что мы можем знать, что ток течет по внутреннему светодиоду оптрона.Идея состоит в том, чтобы использовать лампу питания, для активации которой требуется переменный ток сети, а не постоянное напряжение. Таким образом, мы пытаемся переключить лампу от сети переменного тока, и никакого внешнего источника питания не требуется. Чтобы переключить переменный ток на лампу, мы должны использовать оптоволоконный симистор, лампа и диак показаны на схеме ниже. Триак называется переключателем, управляемым переменным током. Он имеет три вывода M1, M2 и затвор. Триак, ламповая нагрузка и напряжение питания подключены последовательно. Когда питание включено в положительном цикле, тогда ток течет через лампу, резисторы, диак и затвор и достигает источника питания, и тогда только лампа светится в течение этого полупериода непосредственно через клеммы M2 и M1 симистора.В отрицательном полупериоде повторяется то же самое. Таким образом, лампа горит в обоих циклах управляемым образом в зависимости от запускающих импульсов на оптоизоляторе, как показано на графике ниже. Если это подается на двигатель вместо лампы, мощность регулируется, что приводит к регулированию скорости.

2. MOC3021

MOC3021 - оптрон, предназначенный для запуска TRIACS. Используя это, мы можем запускать в любом месте цикла, поэтому можем называть их ненулевыми оптопарами. MOC3021 очень широко используются и могут быть довольно легко получены из многих источников.Он поставляется в 6-контактном DIP-корпусе, показанном на рисунке.

MOC3021 (оптопара)
Описание контакта:

Контакт 1: Анод

Контакт 2: Катод

Контакт 3: Нет соединения (NC)

Контакт 4: Главный вывод

Контакт 5: Нет соединения (NC)

Контакт 6: Главный вывод

Характеристики:
  • Выход драйвера фотосимистора на 400 В
  • Инфракрасный источник на арсенид-галлиевом диоде и оптически связанный кремниевый драйвер симистора
  • Высокая изоляция, пик 7500 В
  • Выходной драйвер предназначен для 220 Vac
  • Стандартный 6-контактный пластиковый DIP

MOC3021 имеет множество применений, таких как управление соленоидами / клапанами, балласты ламп, сопряжение микропроцессоров с периферийными устройствами 115/240 Vac, управление двигателями и диммеры ламп накаливания.

Применение MOC3021:

Из приведенной ниже схемы наиболее часто используется оптопара MOC3021 с комбинацией диакритических светодиодов. Кроме того, при использовании этого с микроконтроллером, и один светодиод может быть подключен последовательно с MOC3021, светодиод, чтобы указать, когда микроконтроллер выдает высокий уровень, чтобы мы могли знать, что ток течет во внутреннем светодиоде оптопары. Когда установлен высокий логический уровень, ток течет через светодиод от контакта 1 к 2. Таким образом, в этом процессе светодиодный свет падает на DIAC, вызывая замыкание 6 и 4.В течение каждого полупериода ток протекает через затвор, последовательный резистор и через оптическую схему, чтобы главный тиристор / симистор запускал работу нагрузки.

3. MCT2E

Вот видео об оптроне MCT2E

Оптопары серии MCT2E состоят из инфракрасного светодиода на арсениде галлия и кремниевого фототранзистора NPN. Они упакованы в 6-контактный DIP-корпус и доступны с широким шагом выводов.

Контакт 1: анод.

Контакт 2: катод.

Контакт 3: Нет соединения.

Контакт 4: эмиттер.

Контакт 5: коллектор.

Контакт 6: База.

Характеристики:
  • Испытательное напряжение изоляции 5000 VRMS
  • Интерфейсы с общими логическими семействами
  • Емкость связи между входами и выходами <0,5 пФ
  • Промышленный стандартный двухрядный 6-контактный корпус
  • Соответствует директиве RoHS 2002/95 / EC

Оптрон, обычно используемый в схеме импульсного источника питания, считывающем релейном управлении, промышленном управлении, цифровых логических входах и во многих электронных устройствах

Применение MCT2E:

Это комбинация 1 светодиода и транзистор.Вывод 6 транзистора обычно не используется, и когда свет падает на переход база-эмиттер, он переключается, и вывод 5 переходит в ноль.

  • Когда логический ноль подается на вход, свет не падает на транзистор, поэтому он не проводит, что дает логическую единицу на выходе.
  • Когда логическая 1 задана как вход, свет падает на транзистор, так что он проводит, что включает транзистор и образует короткое замыкание, что делает выход логическим нулем, поскольку коллектор транзистора соединен с землей.

4. MOC363

Устройства MOC3063 состоят из арсенид-галлиевых излучающих инфракрасных диодов, оптически связанных с монолитными кремниевыми детекторами, выполняющими функции двухсторонних симисторных драйверов, пересекающих нулевое напряжение. Это также 6-контактный DIP, показанный на рисунке:

Описание контакта:

Контакт 1: Анод

Контакт 2: Катод

Контакт 3: Нет соединения (NC)

Контакт 4 : Главный терминал

Контакт 5: Нет соединения (NC)

Контакт 6: Главный терминал

Характеристики:
  • Упрощает логическое управление напряжением 115/240 В перем. Тока
  • Напряжение перехода через ноль
  • DV / dt 1500 В / мкс типично, 600 В / мкс гарантировано
  • Признано VDE
  • Признано Underwriters Laboratories (UL)
Применения:
  • Электромагнитные / клапанные элементы управления
  • Статические переключатели мощности
  • Контроль температуры
  • Двигатель переменного тока стартеры и драйверы
  • Органы управления освещением
  • E.M. контакторы
  • Твердотельное реле
Работа MOC3063:

Из схемы у нас есть оптопара MOC3063 с комбинацией типа LED SCR. Кроме того, при использовании этого оптрона с микроконтроллером один светодиод можно подключить последовательно со светодиодом MOC3063, чтобы указать, когда микроконтроллер подает высокий уровень, чтобы мы могли знать, что ток течет во внутреннем светодиоде оптрона. Когда задан высокий логический уровень, ток течет через светодиод от контактов 1 до 2.Светодиодный индикатор падает на SCR, заставляя 6 и 4 замыкаться только при переходе через ноль напряжения питания. Во время каждого полупериода ток протекает через затвор SCR, внешний последовательный резистор и через SCR для основного тиристора / симистора для запуска нагрузки в начале цикла питания, чтобы всегда работать.

Вот видео сопряжения оптопары с TRIAC

Как используются оптопары / оптопары

Оптопары используют свет от светоизлучающего диода для проведения тока через фототранзистор

Оптопары (также известные как оптопары) генерируют свет, используя светоизлучающий диод (LED) для генерации тока, который проходит через фототранзистор.

Рисунок 1. Схема внутренней эквивалентности

Здесь мы опишем, как используется оптопара общего назначения с этой базовой структурой.

Оптопары в основном используются для следующих целей:

  • В качестве коммутирующего устройства для передачи импульсных сигналов
  • Для передачи сигналов ошибки обратной связи в аналоговых импульсных регуляторах

Работа оптопар при использовании в качестве переключающих устройств более проста, поэтому мы начнем с описания этой операции.

Транзистор на выходной стороне работает как переключатель

Когда оптопары используются в качестве переключающих устройств, фототранзистор на выходной стороне работает просто как переключатель. Когда в качестве переключателя используется обычный транзистор, работа различается в зависимости от того, подключена ли нагрузка к эмиттеру (эмиттерный повторитель или общий коллектор) или к коллектору (общий эмиттер). Однако в случае оптопар общего назначения база фототранзистора остается неподключенной, поэтому ток базы всегда течет от коллектора.Это означает, что транзистор насыщен и переключается одинаково независимо от того, подключена ли нагрузка к коллектору или к эмиттеру. Единственное отличие состоит в том, что полярность выходного сигнала становится противоположной.

Рисунок 2. Подключение нагрузки

Сколько равен выходному току?

Несмотря на то, что оптопару можно назвать переключателем, ее выходной контакт не может быть подключен к большой нагрузке, такой как двигатель. Если вы посмотрите на номинальные значения выходного тока для всех оптопар общего назначения, даже самые высокие, то ток никогда не превышает нескольких десятков миллиампер.Емкость цепи по току следует считать достаточной для зажигания светодиода.

Рисунок 3. Пример перегруженной цепи

Так сколько же на самом деле выходного тока протекает через оптопару?

В следующем пояснении рассматривается максимальный выходной ток. Если вы думаете о выходном токе менее 2–3 мА, это объяснение не применимо. В этом случае обратитесь к разделу «Сколько входного тока (I F ) требуется для генерации выходного тока?») Ниже.

  1. Максимальный номинальный входной ток (I F )
  2. Максимальный номинальный выходной ток, который может быть создан, когда входной ток (I F ) находится в допустимом диапазоне
  3. Снижение выходного тока (I C ) по мере ухудшения характеристик со временем
  4. Диапазон выходного тока (I C ), в котором выходное напряжение в открытом состоянии остается ниже определенного значения

Из них значение (1) одинаково как для однотранзисторных, так и для транзисторных оптопар Дарлингтона, тогда как значения (2), (3) и (4) различаются в зависимости от типа транзистора.Поэтому пояснение (1) ниже применимо ко всем типам транзисторов, а (2) будет объяснено отдельно для каждого типа.

Максимальный номинальный входной ток (I

F )

Первый вопрос: какой входной ток (I F ) можно подать на оптопару?

Максимальный номинальный входной ток (I F ) определяется на основе следующего:

  1. Номинальные значения силы тока и рассеиваемой мощности
  2. Ухудшение характеристик со временем

Самое строгое (наименьшее) из них указано как максимальное значение входного тока.

(i) Определение максимального значения входного тока на основе номинального тока и внутренней мощности рассеиваемой мощности.

Обычно для определения максимального значения входного тока используются как ток, так и внутренняя мощность рассеивания. Например, глядя на график P D и T A ниже, вы можете увидеть, что максимальное номинальное рассеивание составляет 75 мВт при максимальной рабочей температуре 75 ° C.

Рисунок 4. Пример допустимого рассеяния мощности светодиода (P D ) в зависимости отТемпература окружающей среды (T A )

В это время, если характеристики светодиода на входе соответствуют показанным на графике ниже, рекомендуемый прямой ток (I F ) для достижения внутреннего рассеивания мощности светодиода 75 мВт при температуре окружающей среды 75 ° C. составляет около 60 мА (при прямом напряжении (V F ) чуть более 1,2 В).

Рисунок 5. Пример зависимости прямого тока светодиода (I F ) от прямого напряжения (В F )

Если номинальный ток превышает это значение, это значение становится максимальным значением входного тока (I F ).

(ii) Определение максимального значения входного тока на основе ухудшения характеристик с течением времени.

Важно отметить, что светоизлучающая способность светодиода на входной стороне оптопары со временем ухудшается, что приводит к уменьшению коэффициента передачи тока (CTR), как показано на графике ниже.

Рисунок 6. Ухудшение CTR с течением времени

Входной ток (I F ) обычно определяется на основе расчетного срока службы, показанного на графике ниже.

Рисунок 7. Пример расчетного срока службы

В этом примере, если оптопара используется в течение 100 000 часов в месте, где максимальная температура составляет 50 ° C, максимальный входной ток (I F ), который может быть приложен, составляет 20 мА. Это значение является самым строгим из вычисленных до сих пор, поэтому это значение становится максимальным значением входного тока (I F ).

Теперь мы рассчитаем максимальный номинальный выходной ток, который может быть получен из этого входного тока для оптопары однотранзисторного типа и оптопары на транзисторах Дарлингтона.

С транзистором Далингтона I C резко возрастает, когда V CE приближается к 1 В, как показано на графике выше. Если вы попытаетесь установить для V CE значение менее 1 В, как и для одиночного транзистора, выходной ток может вообще не генерироваться. Поэтому обычно предполагается, что низкое выходное напряжение, полученное при использовании одного транзистора, не может быть получено при использовании транзистора Дарлингтона, поэтому для V CE установлено значение 1,5 В или меньше, 0.На 5В выше, чем при использовании одиночного транзистора. Таким образом, ток коллектора (I C ) 25 мА все еще может генерироваться, даже когда срок службы оптопары подходит к концу.

Поскольку транзисторы Дарлингтона имеют высокое проводящее выходное напряжение по сравнению с одиночными транзисторами, оптопары, в которых используются транзисторы Дарлингтона, лучше подходят для приложений, в которых требуется генерировать больший выходной ток.

Однотранзисторный выход

(i) Максимальный номинальный выходной ток, который может быть создан, когда входной ток (I F ) находится в допустимом диапазоне.

Как вы можете видеть на графике зависимости коэффициента передачи тока (CTR) от прямого тока (I F ) ниже, CTR оптопары обычно быстро растет по мере того, как входной ток (I F ) возрастает от точки выборки, но затем снова падает, поскольку входной ток продолжает расти.

Рисунок 8. Пример коэффициента передачи тока (CTR) в зависимости от прямого тока (I F )

Характеристики оптопары могут варьироваться в пределах диапазона спецификации, поэтому на этом графике нарисована кривая, оценивающая нижний предел значения CTR.Если мы предположим, что CTR составляет 80%, когда входной ток (I F ) равен 5 мА, нижний предел CTR можно оценить, как показано пунктирной линией на этом графике. Глядя на эту строку, можно рассчитать, что если приложен входной ток (I F ) 20 мА (определенный ранее), будет сгенерирован выходной ток 20 мА, потому что CTR при входном токе (I F ) составляет 20 мА - это 100%. Таким образом, максимально возможный выходной ток составляет 20 мА. Однако обратите внимание, что при использовании оптопары также необходимо учитывать следующий фактор:

(ii) Снижение выходного тока (I C ) по мере ухудшения характеристик со временем

Первое, что необходимо учитывать, это то, что указанное выше значение CTR является начальным значением.Если оптопара используется в течение периода времени, описанного в (ii) Определение максимального значения входного тока на основе ухудшения характеристик с течением времени в «(1) Максимальный номинальный входной ток (I F )» выше, CTR будет в конечном итоге упадет до половины этого значения.

Таким образом, генерируемый выходной ток (I C ) упадет до 10 мА, что составляет половину его первоначального значения.

(iii) Диапазон выходного тока (I C ), в котором выходное напряжение в открытом состоянии остается ниже определенного значения

Глядя на кривые характеристик CTR на приведенном выше графике, вы можете увидеть, что эти значения применимы, когда V CE = 5 В; но действительно ли подходит V CE = 5V?

Это обсуждение оптопар основано на использовании транзистора на выходной стороне в качестве переключателя, поэтому V CE , естественно, должен быть как можно меньше.

Из-за ограничений, таких как технические характеристики входного уровня логических схем, для V CE обычно устанавливается значение менее 1 В.

Значение генерируемого выходного тока (I C ) определяется на основе соотношения между током коллектора (I C ) и напряжением коллектор-эмиттер (V CE ), как показано на графике ниже.

Рисунок 9. Пример зависимости тока коллектора (I C ) от напряжения коллектор-эмиттер (В CE )

Если вы построите кривую на основе значений I C = 10 мА при V CE = 5 В, рассчитанных в разделе «(ii) Снижение выходного тока (I C ) по мере ухудшения характеристик с течением времени» выше, это будет выглядят как пунктирная линия на графике.

Когда V CE равен 1 В на этой кривой, значение I C составляет около 5 мА. Это максимальный номинальный выходной ток, который может генерироваться в коммутационных приложениях, предполагая, что оптопара будет использоваться до конца своего срока службы. (Это просто пример; фактические значения будут отличаться в зависимости от продукта.)

Если оптопара используется в приложении, в котором генерируемый выходной ток больше указанного, это может вызвать такие проблемы, как отсутствие тока на выходе в начале (выходной сигнал слишком мал) или ухудшение характеристик продукта раньше. чем ожидалось.

Фактически разрешенный выходной ток обычно намного меньше максимального номинального значения.

Выход транзистора Дарлингтона

(i) Максимальный номинальный выходной ток, который может быть создан, когда входной ток (I F ) находится в допустимом диапазоне.

Транзистор Дарлингтона имеет то преимущество, что он имеет большой CTR.

Например, если нижний предел CTR при I F = 20 мА не 100%, а 300%, выходной ток (I C ) 60 мА может быть сгенерирован при V CE = 5 В.

(ii) Снижение выходного тока (I C ) по мере ухудшения характеристик со временем.

Учитывая ухудшение характеристик с течением времени, как и у однотипного транзистора, I C становится 30 мА при V CE = 5 В.

(iii) Диапазон выходного тока (I C ), в котором выходное напряжение в открытом состоянии остается ниже определенного значения.

Кривая I F = 1 мА на графике ниже показывает зависимость тока коллектора транзистора Дарлингтона (I C ) отНапряжение коллектор-эмиттер (V CE ) приблизительно соответствует значениям I C = 30 мА при V CE = 5 В.

Рис. 10. Пример зависимости тока коллектора Дарлингтона (I C ) от напряжения коллектор-эмиттер (В CE )

Однако с транзистором Дарлингтона I C резко возрастает, когда V CE приближается к 1 В, как показано на графике выше. Если вы попытаетесь установить для V CE значение менее 1 В, как и для одиночного транзистора, выходной ток может вообще не генерироваться.

Поэтому обычно предполагается, что низкое выходное напряжение, полученное при использовании одного транзистора, не может быть получено при использовании транзистора Дарлингтона, поэтому для V CE установлено значение 1,5 В или меньше, на 0,5 В выше, чем при использовании одного транзистора. .

Таким образом, ток коллектора (I C ) 25 мА все еще может генерироваться, даже когда срок службы оптопары подходит к концу.

Поскольку транзисторы Дарлингтона имеют высокое проводящее выходное напряжение по сравнению с одиночными транзисторами, оптопары, в которых используются транзисторы Дарлингтона, лучше подходят для приложений, в которых требуется генерировать больший выходной ток.

Расчет нагрузки

Когда вы знаете максимальный выходной ток (I C ), который может быть сгенерирован, цепь нагрузки может быть спроектирована так, чтобы выходной ток оставался ниже максимального значения.

Давайте посмотрим на допустимый диапазон сопротивления нагрузки (R L ) при использовании одного транзистора с I C = 5 мА при V CE = 1 В в конфигурации схемы, подобной показанной ниже, исходя из полученных результатов. далеко.

Рисунок 11.Пример общей конфигурации схемы

Предполагая, что ток, текущий в коллектор из цепи на следующем этапе (I N ), равен 1 мА, если напряжение источника питания (V CC ) составляет 5 В, нижний предел сопротивления нагрузки (R L ) можно рассчитать следующим образом:

Уравнение (1)
R L > (V CC -V CE ) / (I C -I N ) = (5V-1V) / (5mA-1mA) = 1kΩ

Если оптопара имеет допуск по высокому напряжению, ее можно использовать с высоким напряжением источника питания.Например, если используется источник питания 50 В (V CC = 50 В), нижний предел сопротивления нагрузки будет 13 кОм.

Как насчет верхнего предела сопротивления нагрузки?

Напряжение, создаваемое нагрузочным резистором (R L ), обычно устанавливается равным одной десятой или менее напряжения источника питания (V CC ), в то время как оптопара находится в состоянии отключения, а темновой ток коллектора (I CEO ) течет.

Этот темновой ток требует осторожности.

Если посмотреть в таблице данных, максимальное значение темнового тока равно 0.1 мкА, что кажется довольно маленьким.

Однако это значение применяется при температуре окружающей среды 25 ° C. Темновой ток (I утечка ) примерно пропорционален напряжению коллектор-эмиттер (V CE ) и становится в 10 раз выше с каждым повышением температуры на 25 градусов.

Уравнение (2)

Например, максимальное значение темнового тока (утечка I ) составляет 0,1 мкА при T A = 25 ° C и V CE = 50 В, но при условиях T A = 75 ° C и V CE = 5 В, темновой ток уменьшается до одной десятой своего предыдущего значения, потому что напряжение коллектор-эмиттер в 10 раз меньше, но затем становится в сто раз больше из-за повышения температуры, что приводит к 10-кратному увеличению увеличьте до значения 1 мкА.

I утечка = 0,1 мкА x 0,1 x 10 2 = 0,1 мкА x 10 = 1 мкА

Сопротивление нагрузки, необходимое для создания напряжения, составляющего одну десятую значения V CE (то есть 0,5 В или меньше), когда темновой ток составляет 1 мкА, составляет 500 кОм. Исходя из этого, если V CC = 5 В, сопротивление нагрузки должно быть 1 кОм L <500 кОм.

Однако безопасность этого диапазона не может быть гарантирована во всех случаях.

Если сопротивление нагрузки чрезмерно высокое, могут возникнуть следующие проблемы:

  • На уровень выходного сигнала могут влиять колебания нагрузки.
  • Может возникнуть шум от периферийных цепей.
  • Рабочая скорость может упасть.

Следовательно, верхний предел сопротивления нагрузки должен быть в пределах пятикратного значения нижнего предела, что в применении к приведенному выше примеру приводит к верхнему пределу 5 кОм, когда напряжение источника питания (V CC ) составляет 5 В.

Сколько входного тока (I

F ) требуется для создания выходного тока?

Например, если требуется выходной ток (I C ) всего 2 мА, а не 5 мА, сколько входного тока (I F ) требуется для его создания?

Работая в обратном направлении и вычисляя сначала с точки зрения срока службы оптопары, вы можете видеть, что генерируемый начальный выходной ток должен быть в два раза больше возможного значения; то есть 4 мА.

Если вы нарисуете кривую для I C = 4 мА при V CE = 1 В для тока коллектора (I C ) в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (V CE ), показанного в начале графика, он будет выглядит как пунктирная линия на графике ниже.

Рисунок 12. Пример зависимости тока коллектора (I C ) от напряжения коллектор-эмиттер (В CE )

Из этого графика вы можете видеть, что I C составляет около 10 мА, когда V CE составляет 5 В.

Глядя на пунктирную кривую на графике выше, показывающую коэффициент передачи тока (CTR) в зависимости от прямого тока (I F ), вы можете увидеть, что CTR составляет приблизительно 100%, когда I F = 10 мА, поэтому, если При подаче входного тока 10 мА может быть сгенерирован вышеуказанный выходной ток, который является начальным значением 4 мА при V CE = 1 В и значением в конце срока службы 2 мА при V CE = 1 В.

Обратите внимание, однако, что входной ток здесь оценивается с учетом наихудшего сценария вариаций CTR и деградации с течением времени, поэтому, если используется оптопара с большим начальным CTR, и особенно в ранний период использования, входной ток может быть значительно больше требуемого значения.

В этом случае рабочая скорость имеет тенденцию быть ниже, чем скорость, которую можно было ожидать в соответствии со спецификациями.

Поэтому важно тщательно проверить и выбрать оптопару, которая позволяет достичь желаемой скорости работы.

Также может оказаться эффективным ограничить диапазон вариации, указав определенный рейтинг CTR.

Использование оптопары в активной области в аналоговых приложениях

В аналоговых приложениях оптопары обычно используются в контурах управления с обратной связью импульсных регуляторов, в которых первичный и вторичный домены изолированы.

Оптопары

используются, как показано на рисунке ниже, для решения проблемы обратной связи постоянного тока при изоляции первичного и вторичного доменов.

Рисунок 13. Пример использования оптопары в импульсном регуляторе

При использовании оптопары в импульсном стабилизаторе вход оптопары является выходом источника питания и наоборот.

Усилитель ошибки, который используется для сравнения выходного напряжения источника питания с опорным напряжением (то есть определения разности потенциалов), находится во вторичной цепи источника питания (на стороне выхода).Количество света, попадающего на светодиод оптопары, различается в зависимости от этой разности потенциалов.

Коллекторный ток оптопары также различается в зависимости от количества света, излучаемого светодиодом.

Эти факторы вызывают изменение напряжения коллектор-эмиттер фототранзистора (V CE ), что приводит к увеличению или уменьшению входного тока источника питания и, как следствие, увеличению или уменьшению выходного напряжения источника питания.

В это время, как и при использовании оптопары в качестве переключающего устройства, нагрузочный резистор фототранзистора может быть подключен либо к коллектору, либо к эмиттеру (либо это нормально с точки зрения работы оптопары). Подключение нагрузочного резистора в этом случае определяется в соответствии с общей схемой конфигурации.

Однако, в отличие от операции переключения, когда оптопара используется в аналоговой схеме, схема сконфигурирована так, что фототранзистор работает в области V CE > 1 В (активная область).

Рис. 14. Диапазон использования оптопары при использовании в контуре управления обратной связью импульсного регулятора

Кроме того, поскольку оптопары имеют тенденцию иметь очень большие вариации CTR, усиление управления входным током усилителя ошибки и источника питания необходимо установить на очень большие значения, чтобы справиться с этими вариациями CTR.

Это то же самое, что и использование усилительных схем в усилителях звука или операционных усилителях, коэффициент усиления которых в 100–1000 раз выше, чем коэффициент усиления, который фактически требуется.Эти высокие коэффициенты усиления затем снижаются с помощью схемы обратной связи, чтобы уменьшить вариацию и искажения сигнала.

Однако одна проблема с использованием такого типа контроллера обратной связи с высоким коэффициентом усиления заключается в том, что он может вызвать паразитный резонанс и другие типы нестабильности работы, требующие установки регулятора фазы для обеспечения достаточного запаса по фазе и стабилизации работы схемы.

Экранированные оптопары предотвращают нарушение автономного импульсного источника питания

Импульсные источники питания, работающие непосредственно от входных линий электропередачи, обычно должны иметь гальваническую изоляцию своих выходов от входа, чтобы снизить опасность поражения электрическим током для конечного пользователя.Эту функцию изоляции обычно выполняет высокочастотный силовой трансформатор. Поскольку большинство импульсных источников питания управляются на первичной стороне изолирующего трансформатора, но измеряют выходное напряжение на вторичной стороне, должны быть предусмотрены средства для ретрансляции напряжения, измеренного на вторичной стороне, обратно через границу изоляции в схему управления на первичная сторона. Для выполнения этой функции обычно используются оптопары. Они легко доступны и просты в реализации, но они чувствительны к шумам и сбоям, особенно в автономных источниках питания, где могут существовать высокие синфазные потенциалы.

Мы обсудим, как чувствительность оптопары стала проблемой автономного прямого преобразователя, что в конечном итоге сделало конечный продукт непригодным для использования. Мы также рассмотрим, как была решена проблема, с использованием гораздо менее чувствительной экранированной оптопары.

Проблема

Проблема проявилась при тестировании двух каналов передачи данных в лабораторных условиях. Оба канала передачи данных питались трехфазным входным напряжением 115 В переменного тока и 60 Гц.Внутри каждого канала передачи данных находились два изолированных импульсных источника питания топологии прямого преобразователя. Один источник выдавал +3,3 В постоянного тока при 20 А, а другой источник выдавал +5 В постоянного тока при аналогичной силе тока. Каждая линия передачи данных была подключена к одной и той же электросети в лаборатории, на расстоянии более 30 футов ( Рис. 1 ).

Рис. 1. Два идентичных канала передачи данных, подключенных к одной и той же трехфазной линии переменного тока.Работающий агрегат расстраивается всякий раз, когда включается другой агрегат.

Одна из линий передачи данных была впервые включена, тщательно протестирована и признана полностью работоспособной. Однако всякий раз, когда второй канал передачи данных был включен, это приводило к «сбою» ранее работавшего канала передачи данных.

После значительного количества поисков неисправностей проблема была обнаружена в источниках питания. Каким-то образом возмущение, вызванное в линии переменного тока при включении канала передачи данных, вызывало «сбои» источника питания на уже работающем устройстве.Это, в свою очередь, привело к переключению внутренней линии сброса системы, что привело к перезагрузке системы.

Блок питания

Рис. 2. Блок-схема двухтранзисторного прямого преобразователя, используемого в канале передачи данных.

Рис. 2 - блок-схема источника питания +5 В постоянного тока. Блок питания +3,3 В постоянного тока, также в канале передачи данных, функционально идентичен.Передний конец источника питания состоит из трехфазного выпрямителя и фильтра электромагнитных помех, который подает ± 135 В постоянного тока на двухтранзисторный прямой преобразователь. Высокочастотный изолирующий трансформатор обеспечивает гальваническую развязку между первичной и вторичной обмотками (т. Е. Между возвратом -135 В постоянного тока и землей на выходе).

Прямой преобразователь управляется на первичной стороне двухтранзисторным прямым контроллером LT3781. Регулировка осуществляется с помощью шунтирующего регулятора TL431, который измеряет выходное напряжение и сравнивает его с его внутренним эталоном.Шунтирующий регулятор вырабатывает ток, пропорциональный разнице между выходным сигналом источника питания и его внутренним опорным сигналом. Этот ток сигнала ошибки используется для управления светодиодной частью оптопары CNY17-3-300. Таким образом, свет, излучаемый светодиодной частью оптопары, пропорционален сигналу ошибки TL431 и используется контроллером LT3781 для модуляции рабочего цикла полевых МОП-транзисторов с переключаемой мощностью. Это, в свою очередь, регулирует выходное напряжение и образует замкнутый контур обратной связи.

Схема контроля напряжения непрерывно контролирует выход +5 В постоянного тока и первоначально удерживает линию сброса системы на низком уровне до тех пор, пока через определенное время после того, как +5 В постоянного тока будет в пределах регулирования, после чего сброс системы перейдет в высокий уровень. Если выход +5 В постоянного тока когда-либо выйдет из строя, система сбросит снова низкий уровень, позволяя каналу данных перезагружаться контролируемым образом.

Первопричина

Фиг.3. График, показывающий, соответственно, сброс системы, + 5VDC, + 3VDC и VCM. Сброс системы переходит в низкий уровень в ответ на пропадание напряжения питания +5 В постоянного тока

График осциллографа (, рис. 3, ) показывает, что произошло с источниками питания работающего канала передачи данных, когда второй канал передачи данных был включен.

Кривая №1 (желтая) - это системный сброс, который контролирует уровень напряжения питания +5 В постоянного тока. Вторая кривая сверху, кривая № 3 (пурпурный) - это выход источника питания +5 В постоянного тока.Третья кривая сверху вниз - это кривая № 2 (светло-голубая), выход источника питания + 3,3 В постоянного тока. Нижняя кривая, кривая № 4 (зеленая), представляет собой VCM, как показано на рис. 2. Масштаб для VCM составляет 100 В / деление.

Когда второй канал передачи данных был включен, вы можете видеть, что выход +5 В постоянного тока на работающем канале передачи данных (а также выход +3 В постоянного тока) начинает отключаться. Когда напряжение +5 В постоянного тока выходит из-под контроля, это приводит к тому, что сброс системы (кривая № 1) становится низким и остается низким, чтобы перезагрузить систему.Хотя +5 В постоянного тока и +3 В постоянного тока восстанавливаются мгновенно (в течение 4 мсек), сработал сброс системы, и он остается на низком уровне в течение заранее определенного времени, что приводит к нежелательному сбросу системы.

Что могло вызвать отключение выхода +5 В постоянного тока действующего канала передачи данных в ответ на включение второго канала передачи данных (расположенного далеко в лаборатории)? После значительных усилий по устранению неполадок проблема была сужена до синфазного напряжения (VCM), которое существует между обратным током -135 В и землей выхода.Всякий раз, когда второй канал передачи данных был включен, он потреблял большой мгновенный ток из сети, что вызывало переходную разность потенциалов (примерно 250 В (пик-пик) - см. Рис. 3, график № 4) между возвратным током -135 В и землей выхода. . Хотя предполагается, что оптопара обеспечивает изоляцию между этими двумя «землями», это не идеальный компонент. Некоторая часть наведенного синфазного напряжения проходит через оптопару на вход FB (обратная связь) контроллера LT3781, заставляя его на мгновение повышаться и отключая соответствующий источник питания.

Если бы у нас была идеальная оптопара, у нас не было бы проблем. Не будет связи между землей, вызванной переходной разностью синфазных напряжений. Такого устройства, конечно же, не существует. Однако экранированная оптопара ближе к идеалу, чем неэкранированная оптопара, и в конечном итоге стала ключом к решению этой проблемы.

Далее мы рассмотрим паразитные механизмы связи в оптопарах, а также изучим различия между неэкранированными и экранированными оптопарами, чтобы понять, как экранированный оптопара обеспечивает более высокую степень изоляции синфазного сигнала и является лучшим выбором для автономных приложений.

Оптопара

Степень, в которой оптопара остается незатронутой переходным процессом синфазного режима, известна как синфазный режим

.

преходящий иммунитет (CMTI). Это можно указать несколькими способами, но наиболее распространенная спецификация CMTI - в кВ / мкс. Это мера того, сколько переходных процессов синфазного режима устройство может выдержать без аномальных переходных процессов напряжения или чрезмерного шума на выходе.

Фиг.4. Неэкранированная оптопара, показывающая важные паразитные емкости.

Типичная оптопара показана на Рис. 4 [1], [2]. Он состоит из светодиода и фототранзистора. Когда диод приводится в действие источником тока, он излучает свет. Этот свет падает на базу фототранзистора, который заставляет транзистор проводить пропорционально интенсивности падающего света. Это, в свою очередь, пропорционально току диода.В корпусе диод и фототранзистор физически разделены. Однако связь действительно происходит через нежелательные паразитные емкости, которые неизбежно приводят к конструкции оптопары из-за близости рамок входных и выходных выводов диода и транзистора.

Например, сигнал помех в режиме моно может проходить через CCM и включать транзистор, когда он должен быть выключен. Отрицательный переходный процесс может проходить через CCM и выключать транзистор, когда он должен быть включен.Как правило, оптопара не проходит проверку на отклонение синфазного сигнала, если при наличии переходного режима синфазного сигнала ее выходное «высокое» напряжение падает ниже 2,0 В или выходное «низкое» напряжение превышает 0,8 В.

Принципиальным механизмом связи синфазного шума является паразитная емкость связи синфазного сигнала CCM. Этот конденсатор позволяет переходному процессу проходить от диода к базе транзистора. Положительный ком

Основные уравнения:

и

Где:

IB = Базовый ток транзисторной секции оптопары

VBE = напряжение база-эмиттер транзисторной секции оптопары

VCM = внешнее синфазное напряжение, приложенное между секциями светоизлучающего диода (катода) и транзистора (эмиттера) оптопары

.

CBE = собственная емкость база-эмиттер транзисторной секции оптопары

CCM = паразитная емкость, которая образуется между секциями светоизлучающего диода (катода) и транзистора (базы) оптопары

.

Ключом к улучшению подавления синфазного сигнала в оптроне является уменьшение значения емкости связи синфазного сигнала CCM.Проще всего это сделать, вставив между диодом и фототранзистором прозрачный электропроводящий экран. Экран обычно соединяется с землей и отводит ток на землю, который иначе связан с базой фототранзистора ( Рис. 5 ). Экранирование может снизить эффективное значение CCM примерно в 10 раз [2].

Рис. 5. Экранированная оптопара, показывающая, как экран отводит синфазный ток на землю.

Проводящее прозрачное покрытие обычно представляет собой оксид индия-олова, In2O3: SnO2, также известный как оксид индия, легированный оловом. Он состоит из смеси оксида индия (III) (In2O3), 90 мас.%, И оксида олова (IV) (SnO2), 10 мас.% [3]. Этот желто-зеленый порошок прозрачен и бесцветен при нанесении тонкими слоями (обычно от 1000 до 3000 ангстрем) и находит широкое применение в ЖК-дисплеях и плазменных дисплеях, сенсорных панелях, антистатических покрытиях, защите от электромагнитных помех и даже в окнах самолетов.В оптопаре он служит для улучшения подавления синфазного сигнала за счет небольшого снижения коэффициента передачи тока (CTR).

Устойчивость к синфазным переходным процессам (CMTI) неэкранированных оптопар не описывается в технических паспортах компонентов. Для экранированных оптопар в технических паспортах указывается CMTI, обычно указываемая в кВ / мкс. Тестирование для характеристики CMTI обычно выполняется с использованием схемы (рис. 6) .

Фиг.6. Испытательная схема, используемая для определения устойчивости к синфазным переходным процессам (CMTI) оптопары.

Схема состоит из генератора импульсов, который может подавать синфазный импульс через оптопару, от фотодиода к транзистору, и средства управления током, протекающим через фотодиод. Переключатель A / B на схеме позволяет тестировать оптрон как во включенном, так и в выключенном состоянии. Синфазный импульсный стимул применяется в каждом состоянии, соответственно, и на выходе наблюдается нарушение.

Стимул-ответ

Однако часто бывает трудно понять, что означают эти числа CMTI с точки зрения разработчика схем. Поэтому поучительно сравнить CMTI экранированных и неэкранированных оптопар, наблюдая, как их соответствующие транзисторные выходы реагируют на стимул на стороне фотодиода. Были оценены пять различных оптопар, три неэкранированных и два экранированных, как представлено в , Таблица I .В качестве стимула использовался размах импульса 10 В, приложенный к оптрону, с A / B

.

Переключатель Рис. 6 в положении A. Это положение переключателя выключает фотодиод, и выходной сигнал транзистора Vo составляет номинально +5 В. Отклонение выходного сигнала в ответ на входной импульс наблюдалось при Vo, с осциллограф, связанный по переменному току. Очень похожие результаты получаются, когда переключатель A / B находится в положении B. В этом случае фотодиод смещен на определенном уровне тока, а выход транзистора Vo номинально находится на земле.

Однако часто бывает трудно понять, что означают эти числа CMTI с точки зрения разработчика схем. Поэтому поучительно сравнить CMTI экранированных и неэкранированных оптопар, наблюдая, как их соответствующие транзисторные выходы реагируют на стимул на стороне фотодиода. Были оценены пять различных оптопар, три неэкранированных и два экранированных, как представлено в , Таблица I . В качестве стимула использовался размах импульса 10 В, приложенный к оптрону, с A / B

.

Фиг.7. Отклик неэкранированной оптопары 4N35.

Рис. 8. Отклик неэкранированной оптопары CNY17-3-300.

Рис. 9. Отклик неэкранированной оптопары MOC206.

Рис. 10. Отклик экранированной оптопары 6N136 с CMTI 1 кВ / мкс.

Рис. 11. Отклик экранированной оптопары FODM453 с CMTI 10 кВ / мкс.

Фиг.7–11 - это осциллографы для каждой из оптронов, перечисленных в , Таблица 1 . Верхняя кривая представляет собой размах входного импульса 10 В, а нижняя кривая - это отклик, связанный по переменному току при Vo. Выходное отклонение экранированных устройств намного меньше, чем у неэкранированных, что указывает на то, что экранированные устройства имеют более высокий CMTI.

Обратите внимание, что неэкранированные оптопары различаются по своей способности подавлять переходные процессы в синфазном режиме, о чем свидетельствуют различные уровни выходного отклика в таблице 1.Хотя их CMTI не указан в их технических паспортах, отклонение выходной характеристики, показанное в таблице 1, дает хорошее представление об их устойчивости к синфазным помехам.

Экранированные устройства с указанными уровнями CMTI также различаются для разных устройств. В этом случае CMTI между экранированными оптопарами 6N136 и FODM453 отличается в 10 раз. Однако отклонение выходной характеристики обоих экранированных оптопар намного лучше, чем отклик неэкранированных устройств. Фактически, отклонение выходного импульса наилучшей экранированной оптопары, FODM453, как показано в таблице 1, лучше, чем наихудшая оптопара из , таблица 1 , 4N35, более чем в четыре раза.

Решение

Вооружившись этой информацией о CMTI экранированных оптопар, оптопара CNY17-3-300 в цепях прямого преобразователя +5 В постоянного тока и +3,3 В постоянного тока ( рис. 2 ) была заменена экранированной оптопарой FODM453. Высокий CMTI устройства не позволял синфазным переходным процессам проходить через оптопару и мгновенно отключать питание, как это было в случае с неэкранированной оптопарой.Следовательно, сброс системы не сработал, и несколько каналов передачи данных могли без проблем использовать одну и ту же входную линию питания. Сценарий включения с использованием нескольких каналов передачи данных был протестирован сотни раз без единой ошибки.

Сравните осциллограмму рис. 12 с осциллограммой на рис. 3. На рис. 12 все напряжения остаются стабильными при наличии синфазного переходного процесса, а системный сброс остается на высоком логическом уровне.

Фиг.12. График, показывающий, соответственно, сброс системы, + 5VDC, + 3VDC и V CM . Экранированный соединитель FODM453 предотвращает сбой в работе источников питания, и при сбросе системы остается высокий логический уровень.

Синфазный шум может нарушить работу чувствительной схемы управления в источнике питания, вызывая неустойчивую работу. Оптопара является особенно чувствительным компонентом, отчасти из-за того, что она критически важна для контура управления. Экранированная оптопара с высокой устойчивостью к синфазным переходным процессам может обеспечить значительно большую защиту от синфазных помех по сравнению с неэкранированной оптопарой.

Благодарности

Автор хотел бы поблагодарить команду Linear Technology Inc., Тома Мостеллера, Роба Мергена и Курка Мэтьюза. Их полезные предложения и неизменная поддержка помогли довести это расследование до успешного завершения. Со стороны BAE, спасибо Пэту Ферраре и Тони Карпати. Они олицетворяют истинный исследовательский дух и всегда проявляют неутомимый энтузиазм. Мне было очень приятно работать с ними над этим проектом.

Список литературы

[1] Примечание по применению Avago Technologies 1043, Синфазный шум: источники и решения.

[2] Vishay Semiconductors Application Note 83, Устойчивость к синфазным переходным процессам (CMTI) оптопары - теория и практические решения. Ред. 1.2, 24 ноября 2003 г.

[3] Indium Corporation, окись индия-олова [ITO] Data Sheet, http://www.indium.com

Оптопара - обзор | Темы ScienceDirect

6.5 Управление нагрузками высокого уровня с помощью оптопар

Часто нагрузка, приводимая в действие оптопарой, требует большего тока, напряжения или того и другого, чем оптопара может обеспечить на своем выходе. Доступный выходной ток оптопары определяется путем умножения входного тока светодиода на CTR. Для наихудшего случая следует использовать минимальное указанное значение. Температурное снижение номинальных значений обычно не требуется в диапазоне 0–60 ° C, поскольку световой поток светодиода и транзистор β имеют приблизительно компенсирующие коэффициенты (для компонентов, подобных IL1).Умножение минимального CTR на 0,9 обеспечит безопасную конструкцию в этом диапазоне температур. Для более широкого диапазона потребуется больше маржи.

Ток источника светодиода ограничен его номинальной рассеиваемой мощностью. Таблица 6-1 показывает максимально допустимое значение I F в зависимости от максимальной температуры окружающей среды. Значения в таблице 6-1 основаны на снижении мощности на 1,33 мВт / ° C по сравнению с 100 мВт при номинальной мощности 25 ° C.

Таблица 6-1. Максимальный прямой ток диода в зависимости от температуры для IL1, основанный на коэффициенте снижения мощности 1.33 мВт / ° C.

69 80

0 Воспроизведено с разрешения Infineon Technologies.)

На основании информации в Таблице 6-1 и с учетом 10% запаса на температурные воздействия минимальный доступный выходной ток для IL1 будет 6,3 мА.

Если IL1 работает от логики с управляющим транзистором 5 В и предполагается насыщение 0,2 В В CE для управляющего транзистора, резистор R IF будет обеспечивать 48 мА. Прямое напряжение ИК-светодиода составляет примерно 75 R 1,2 В. На рисунке 6-11 показаны две такие схемы возбуждения.

Рисунок 6-11. Управление эмиттером от цепей TTL: (a) драйвер NPN, (b) драйвер PNP

«Буферный затвор», такой как SN7440, представляет собой очень хорошую альтернативу драйверам дискретных транзисторов.На рис. 6-12 показано, как это делается. Обратите внимание, что затвор используется в режиме «потребления тока», а не в режиме «источника тока». Другими словами, обычный ток течет в буферный затвор для включения светодиода, потому что затвор TTL будет потреблять больше тока, чем отводить. SN7440 рассчитан на управление тридцатью нагрузками 1,6 мА или 48 мА. Изменение R IF с 75 Ом на 68 Ом позволяет настроить более высокое напряжение насыщения монолитного устройства.

Рисунок 6-12. Привод буферного затвора

6.5.1 Ток большей нагрузки

Для токов нагрузки более 6,3 мА требуется усилитель тока. На рисунке 6-13 показаны две схемы однотранзисторного усилителя тока.

Рисунок 6-13. Цепи усилителя тока: (a) тип NPN, (b) тип PNP

Поскольку транзистор в оптопаре рассматривается как двухконтактное устройство, между цепями NPN и PNP нет рабочих различий. R b обеспечивает обратный путь для I CBO выходного транзистора.Его значение составляет R b = 400 мВ / I CBO ( T ), где I CBO ( T ) соответствует наивысшей ожидаемой температуре перехода.

Для расчета необходимо использовать максимальную рассеиваемую мощность, указанное максимальное тепловое сопротивление перехода к окружающей среде и максимальную расчетную температуру окружающей среды в сочетании с указанным максимальным значением I CBO при 25 ° C I CBO ( T ), предполагая, что токи утечки удваиваются каждые десять градусов.

В качестве примера предположим, что 2 N3568 используются для обеспечения тока нагрузки 100 мА. Также предположим, что максимальная рассеиваемая мощность транзистора в установившемся режиме составляет 100 мВт и максимальная температура окружающей среды 60 ° C. Тепловое сопротивление перехода транзистора к окружающей среде составляет 333 ° C / Вт, поэтому ожидается максимальная температура перехода 93 ° C (60 ° C + 33 ° C). Это примерно на семь десятилетий выше 25 ° C. Следовательно, I CBO ( T ) = I CBO (макс.) × 27 = 50 мА × 128 = 6.5 мкА. Безопасное значение для R b составляет 400 мВ / 6,5 мкА = 62 кОм.

При работе в обратном направлении максимальный базовый ток под нагрузкой будет I O / ч FE (мин) = 100 мА / 100 = 1 мА. Ток в R b составляет В BE / R b = 600 мВ / 60 кОм = 10 мкА, что незначительно. IL1 с приводом 9 мА будет работать эффективно. Если нагрузка требует большего тока, чем можно получить с помощью имеющегося транзистора β с наивысшим значением, то в каскаде необходимо использовать более одного транзистора.Например, предположим, что требуется ток нагрузки 3 А и рассеиваемая мощность 10 Вт. Motorola MJE3055 ( Q 2 ) может использоваться в качестве выходного транзистора, управляемого MJE205 ( Q 1 ), как показано на рисунке 6-14. Используя радиатор 5 ° C / Вт и номинальное тепловое сопротивление перехода MJE3055 к корпусу 1,4 ° C / Вт, мы обнаружили, что повышение температуры перехода составляет 64 ° C (6,4 × 10). Следовательно, максимальная температура перехода составляет 124 ° C. Это на десять десятилетий выше 25 ° C, что составляет I CBO ( T ) = 2 10 / cso (макс.) ≏ 10 3 I CBO (макс.).

Рисунок 6-14. Два усилителя тока NPN

I CBO (макс.) При 30 В или менее не указаны, но указано I CEO с максимальным током 0,7 мА для MJE3055. Используя значение 20 (для безопасности) для минимального слаботочного ч FE устройства, I CBO может быть таким же большим, как I CEO / 20 = 35 мкА. Тогда I CBO ( T ) равно 35 мА и R b2 = 400 мВ / 35 мА = 11 Ом.Для I b используйте I O / ч FE (мин. При 4 A) = 3 A / 20150 мА. I Rb 2 = 600 мВ / 10 Ом = 60 мА, поэтому I E ( Q 1) = 210 мА.

Максимальная мощность в Q 1 будет примерно на 1/14 мощности в Q 2 , так как его ток ниже на это соотношение и два напряжения между коллектором и эмиттером почти одинаковы.Это означает, что Q 1 должен рассеивать 700 мВт. Предполагая, что небольшой радиатор «флагового типа» имеет тепловое сопротивление 50 ° / Вт, мы находим температуру перехода около 95 ° C. Температура корпуса 150 ° C I CBO Номинальное значение для этого устройства составляет 2 мА, поэтому можно работать в обратном направлении и принять примерно 1/30 этого значения, или 70 мкА. С другой стороны, I CBO с номиналом 25 ° C составляет 100 мкА. Выбирая большее из этих противоречивых характеристик, R b 1 = 400 мВ / 0.1 мА = 4 кОм ≈ 3,9 кОм. Базовый ток Q 1 составляет I E ( Q 1) / ч FE ( Q 1 мин) = 210 мА / 50 = 4,2 мА. Суммарный ток I b ( Q 1) + I Rb 1 = 4,2 + 0,24 = 4,5 мА. Здесь можно использовать IL1.

6.5.2 Более высокие напряжения нагрузки

Все схемы усиления тока, показанные до сих пор, имеют одну общую особенность: напряжение нагрузки ограничивается номинальным напряжением оптопары, а не напряжением или номинальной мощностью транзистора (ов). .На рис. 6-15 (а) показан способ преодоления этого ограничения. Эта цепь будет стоять от BV CEO of Q 1 . Номинальное напряжение фототранзистора не имеет значения, поскольку его максимальное напряжение коллектор-эмиттер равно напряжению база-эмиттер Ом 1 (около 0,7 В). В отличие от конфигураций Дарлингтона, показанных ранее, эта схема работает в обычном режиме. Когда в светодиоде нет тока и фототранзистор выключен, ток R 1 может течь в базу Q 1 , включая Q 1 .Когда оптопара находится под напряжением, ее фототранзистор «закорачивает» ток R 1 , отключая Q 1 .

Рисунок 6-15. Высоковольтные бустеры: (a) NPN, (b) PNP

Значение R 1 зависит только от напряжения питания нагрузки ( V cc + - V cc - ) и максимальный требуемый базовый ток для Q 1 . Это получено из минимума β из Q 1 при минимальной температуре и токе нагрузки.Требуемая способность управления током такая же, как у I R 1 , поскольку I R 1 изменяется незначительно, когда цепь переключается между включенным и выключенным состояниями.

В некоторых приложениях потребуется либо большее усиление по току, чем может обеспечить один транзистор, либо мощность, рассеиваемая в R 1 , будет нежелательной. В этих случаях решением является использование высоковольтных бустеров Дарлингтона (как показано на рис. 6-16 (а)).Если работает более одной нагрузки и отрицательные клеммы должны быть общими, необходимо использовать схему PNP, как показано на Рисунке 6-16 (b). В противном случае NPN лучше, потому что транзисторы стоят дешевле. Рабочие характеристики версий NPN и PNP идентичны, если параметры устройства совпадают.

Рисунок 6-16. Высоковольтные усилители Дарлингтона: (a) NPN, (b) PNP

6.5.3 Более высокая скорость

На рисунке 6-17 показана типовая схема, в которой используется оптопара для передачи логических сигналов между электрически изолированными частями системы.В показанной схеме оптопара должна «отводить» ток от одной ТТЛ нагрузки и подтягивающего резистора до В CC . Резистор, включенный последовательно со светодиодом оптопары, должен обеспечивать разделенный ток нагрузки наихудшего случая. по CTR оптопары. Если используется оптопара с минимальным CTR 0,2 и допускается изменение нагрузки на 80%, требуется 8,1 мА. Это обеспечивается резистором 430 Ом.

Рисунок 6-17. Ступень низкоскоростной развязки для приложений TTL.

(Воспроизведено с разрешения Infineou Technologies.)

Максимальная частота повторения, с которой будет работать эта схема, составляет всего около 8 кГц. Это серьезное ограничение полностью связано с характеристиками фототранзисторной половины оптопары. Устройство имеет большую площадь перехода база-коллектор и очень толстую область основания, что делает его чувствительным к свету. C ob обычно составляет 25 пФ. Эта емкость в схеме на рис. 6-17 эффективно умножается на большой коэффициент из-за «эффекта Миллера».Кроме того, поскольку объем базовой области велик, время базового хранения велико.

Очень простой способ уменьшить оба эффекта - добавить резистор между базой и эмиттером, как показано на рисунке 6-18. Этот резистор помогает за счет уменьшения постоянной времени из-за C ob и удаления накопленного заряда из базовой области быстрее, чем рекомбинация. Когда используется резистор база-эмиттер, требуемая мощность светодиода увеличивается, поскольку большая часть фототока, генерируемого в переходе база-коллектор, намеренно «сбрасывается».”

Рисунок 6-18. Высокоскоростной изолирующий каскад для приложений TTL.

(Воспроизведено с разрешения Infineou Technologies.)

Использование этого метода обычно не приводит к большому потреблению тока от источника питания, поскольку средняя частота повторения в большинстве приложений низкая. По мере увеличения привода и уменьшения R BE время включения и выключения уменьшается. Общее количество накопленного заряда может быть уменьшено за счет уменьшения длительности импульса возбуждения светодиода. Кроме того, при использовании более высоких уровней возбуждения сопротивление нагрузки, R L , может быть уменьшено для дальнейшего повышения скорости цепи.Эти параметры связаны друг с другом, поэтому для достижения наилучших результатов все следует изменять вместе. Можно сделать одно важное обобщение относительно их взаимозависимости. Длительность импульса возбуждения светодиода, - T в , время спада на выходе ( t f ), время нарастания выхода ( t r ) и задержка распространения ( t p ) должны приблизительно в соотношении 1,5: 1: 1: 1. Если этого отношения не возникает, схема не будет работать с такой высокой частотой повторения, как могла бы при том же уровне возбуждения.Длительность выходного импульса T out равна T in при малых токах, но увеличивается при больших токах.

На Рисунке 6-19 показаны графики, связывающие важные параметры типичного оптоизолятора, такого как IL1. Оптимальные значения T в , R BE , и R L показаны в зависимости от тока импульса светодиода, а также результирующая ширина выходного импульса и максимальная частота полной развертки. Время нарастания, спада и распространения можно считать как две трети от T в .На рисунке 6-19 показано, что увеличение мощности до 200 мА и использование оптимальных R BE и R L увеличит максимальную частоту повторения с 3 кГц до 500 кГц, то есть улучшение 167: 1.

Рисунок 6-19. Параметры в зависимости от импульсного тока светодиода.

(Воспроизведено с разрешения Infineou Technologies.)

Оптопары более низкого уровня будут вести себя аналогичным образом, если уровень возбуждения светодиода масштабируется соответствующим образом, чтобы обеспечить более низкий CTR. Другой способ увеличения скорости - использовать фототранзистор как фотодиод.В этом методе напряжение смещения подается между выводом коллектора и базы, эмиттер не используется. Таким образом возможна работа на частоте не менее 1,0 МГц, но необходимо внешнее усиление. На рис. 6-20 показан график зависимости пикового выходного тока от длительности управляющего импульса для пикового управляющего тока 200 мА.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Максимальная температура (° C) Максимум Ip (мА)
40 50
60 35