Current transfer ratio оптопары что это

8

Current transfer ratio оптопары что это

Определение и области использования

Оптопара – это оптико-электронный прибор, содержащий в своем составе оптически связанные источник и приемники оптического излучения (рисунок OC.1). Источником является светодиод, приемником – фотодиод иди фототранзистор. Чаще всего оптопары, используют для передачи сигнала между гальванически развязанными цепями.

Итак, функции оптопар:

— передача аналогового сигнала обратной связи при обеспечении гальванической развязки;

— передача цифрового сигнала при обеспечении гальванической развязки.

Кроме этого некоторые экзотические типы оптопар могут использоваться в качестве нетрансформатрного гальванически развязанного источника питания малой мощности или для непосредственного, но медленного управления затвором MOSFET (например оптопары с фотоэлектрическим выходом TLP590B).

Оптопары в зависимости от области применения делятся на несколько типов:

— с высоким быстродействием;

— оптопары с изолирующим усилителем (операционный усилитель);

— оптопары с мощным выходным усилителем, используемые в качестве драйверов силовых ключей.

В одном корпусе может содержаться одна или несколько оптопар.

Рисунок OC.1 — Условное обозначение оптопары, содержащей светодиод и фототранзистор

Оптопары, содержащие в качестве приемника фоторезистор в настоящее время практически не используются. Наиболее распространены оптопары в качестве приемника в которых используется фототранзистор. Оптопары на основе фотодиода используются существенно реже по причине малого коэффициента передачи по току и соответственно необходимости усиления выходного сигнала.

Основные параметры оптопар

1. Максимальное напряжение изоляции (Isolation test voltage) V_ISO – максимальное напряжение между светодиодом и фотоприемником расположенными внутри корпуса оптопары.

2. Максимальное обратное напряжение на входе оптопары (Reverse voltage (input) ) V_R — максимальное обратное напряжение прикладываемое к светодиоду оптопары.

3. Максимальный средний входной ток оптопары (Forward current) I_F – максимальная величина среднего тока через входной диод оптопары.

4. Максимальный импульсный входной ток оптопары (Surge current) I_FSM — максимальная величина импульсного тока через входной диод оптопары. При этом обычно указывается максимальная длительность импульса.

5. Максимальная рассеиваемая светодиодом мощность (Power dissipation) P_diss – максимальная мощность, рассеиваемая светодиодом оптопары.

6. Максимальное напряжение на коллекторном переходе оптопары (Collector emitter breakdown voltage) BV_CEO – максимальное напряжение между коллектором и эмиттером оптопары. В оптопарах с интегрированным выходным усилителем – это максимальное напряжение питания оптопары.

7. Максимальное обратное напряжение эмиттер-база выходного транзистора оптопары (Emitter base breakdown voltage) V_CEO — максимальное обратное напряжение перехода эмиттер-база выходного транзистора оптопары. Этот параметр применим только к оптопарам с выведенным выводом базы фототранзистора.

8. Максимальный средний ток коллектора (Collector current) I_C — максимальная величина среднего тока коллектора выходного транзистора оптопары.

9. Максимальная рассеиваемая фототранзистором мощность (Power dissipation) P_diss – максимальная мощность, рассеиваемая фототранзистором оптопары.

10. Расстояние утечки (Creepage distance) – расстояние между проводниками печатной платы при котором обеспечивается заявленное напряжение изоляции V_ISO.

11. Безопасное расстояние (Clearance distance) — расстояние между оптопарой и другими элементами устройства при котором обеспечивается заявленное напряжение изоляции V_ISO.

12. Толщина изоляции между светодиодом и фотоприемником оптопары (Isolation thickness between emitter and detector) — Толщина изоляции между светодиодом и фотоприемником оптопары.

13. Сопротивление изоляции (Isolation resistance) R_IO – сопротивление изоляции между излучателем и фотоприемником оптопары при заданной температуре.

14. Входная емкость (Input capacitance) C_O – входная емкость светодиода оптопары.

15. Максимальное напряжение на переходе коллектор-база (Collector base breakdown voltage) BV_CBO – максимальное напряжение между коллектором и базой оптопары.

16. Темновой ток между коллектором и эмиттером оптопары (Collector emitter dark current) I_CEO — ток между коллектором и эмиттером оптопары при условии нулевого тока светодиода.

17. Темновой ток между коллектором и базой оптопары (Collector base dark current) I_CBO — ток между коллектором и базой оптопары при условии нулевого тока светодиода.

19. Выходная емкость коллектор-эмиттер (Collector emitter capacitance) C_CE – емкость между коллектором и эмиттером оптопары.

20. Напряжение насыщения перехода коллектор-эмиттер (Saturation voltage, collector emitter) V_CE(sat) – минимальное значение напряжения коллектор-эмиттер фототранзистора в открытом состоянии

21. Проходная емкость оптопары (Capacitance input-output) C_IO – емкость между входом и выходом оптопары.

22. Коэффициент передачи по постоянному току (DC current transfer ratio) CTR_DC – отношение входного тока оптопары (тока через светодиод) к выходному току (току фототранзистора). Это один из наиболее важных параметров оптопары, часто используемый в практических расчетах. Оптопары одной серии классифицируются по этому параметру.

23. Время спада и нарастания сигнала (Rise and fall times) t_r, t_f – динамические характеристики оптопары, определяющие её быстродействие.

Типовые схемы включения оптопар

«Коллекторное» и «эмиттерное» включение оптопар

Типовые схемы включения оптопар представлены на рисунках OC.2- OC.3. Нагрузочный резистор оптопары может быть подключен как к коллектору так и к эмиттеру. При подключении к коллектору выходной сигнал оптопары инвертируется, при подключении к эмиттеру — нет. С использованием данных схем можно передавать как цифровой, так и аналоговый сигнал. Быстродействие определяется прежде всего типом используемых оптопар и величинами резисторов в обвязке. С уменьшением их сопротивления скорость переключения возрастает за счет уменьшения постоянной времени образованной паразитными емкостями светодиода и фототранзистора и резисторами внешней цепи.

Рисунок OC.2 — Типовые схемы включения оптопар

Увеличение выходного тока оптопар

Максимальный выходной ток оптопары ограничен «даташитными» значениями. С целью его увеличения используют транзисторные усилители (рисунок OC.3) [Фоточувствительные приборы и их применение. Кайдалов С.А. Радио и связь. Серия МРБ. 1991. 112 с.].

Рисунок OC.3 — Способы увеличения выходного тока транзисторной оптопары

Логическое «И» на оптопарах

С помощью нескольких оптопар можно реализовать схему логического «И» или аналогового сумматора (рисунок OC.4). Эта схема может найти применение при построении цепей обратной связи источников питания, когда необходимо обеспечить обратную связь (причем аналоговую) по нескольким параметрам одновременно – например, по току и по напряжению.

Рисунок OC.4 — Логическое И на оптопарах

Некоторые особенности оптопар

Внутренний экран оптопары

Кроме оптической связи входные и выходные цепи оптопары имеют емкостную связь. Вследствие этого при большой скорости роста напряжения между светодиодной и фототранзисторной частями оптопары возможно ложное приоткрывание фототранзистора вследствие наведенного емкостного тока. Для борьбы с этим эффектом в структуру оптопары вводят экран (рисунок OC.5) предотвращающий появление ёмкостного тока.

Убедитесь в правильном выборе тока светодиода вашего оптоизолятора

В изолированных источниках питания для передачи сигнала обратной связи через изолирующий барьер используются оптроны. Внутри оптрона размещаются светодиод и фотодетектор. Ток, идущий через светодиод, приводит к появлению пропорционального тока в фотодетекторе. Коэффициент передачи тока (current transfer ratio – CTR) определяется как отношение токов фотодетектора и светодиода и обычно имеет очень большой разброс. Конструируя цепь изолированной обратной связи, необходимо учитывать разброс параметров оптоизолятора и всех других компонентов, определяющих большой коэффициент усиления сигнала. Пренебрежение этой задачей может легко привести к возврату после запуска вашего продукта в массовое производство.

Наиболее распространенная схема изолированной цепи обратной связи показана на Рисунке 1. Микросхема TL431 содержит усилитель ошибки и источник опорного напряжения. Выходное напряжение устанавливается резистивным делителем R3, R5 и внутренним опорным источником микросхемы TL431. Изменяя напряжение на входе обратной связи контроллера ШИМ, цепь обратной связи управляет мощностью, поступающей на выход источника питания. При смещении V_OUT вверх катод TL431 отдает оптоизолятору больше тока, и напряжение обратной связи V_FB становится ниже. Когда V_OUT смещается вниз, катодный ток TL431 уменьшается, и напряжение обратной связи увеличивается.

Правильно сконструированная схема должна быть способна гарантированно управлять входом обратной связи контроллера во всем рабочем динамическом диапазоне при наихудшем сочетании возможных допусков и разбросов параметров всех главных компонентов.

Первым делом необходимо определить рабочий динамический диапазон напряжения на выводе обратной связи контроллера. Все контроллеры отличаются друг от друга, поэтому в каждом случае потребуется обращение к справочной документации. В качестве примера предположим, что для управления прямоходовым преобразователем с активным ограничением мы используем микросхему ШИМ-контроллера UCC2897A. Глядя в раздел «Подробное описание выводов» технического описания UCC2897A, мы видим, что при напряжении 2.5 В на входе обратной связи коэффициент заполнения ШИМ равен нулю, а при напряжении 4.5 В коэффициент заполнения максимален. UCC2897A содержит также источник опорного напряжения 5 В (вывод V_REF), к которому можно подключить нагрузочный резистор R6 фототранзистора оптрона, изображенного на Рисунке 1. Минимальное значение опорного напряжения равно 4.75 В, а максимальное – 5.25 В. Рассчитать требуемый диапазон токов транзистора оптрона, в предположении, что сопротивление резистора R6 равно 1 кОм ±1%, можно с помощью формул (1) и (2):

Из этих расчетов следует, что схема должна быть способна пропускать через R6 ток от 0.25 мА до 2.78 мА. При выборе соответствующего сопротивления резистора R2 напряжение на катоде TL431 может достигать достаточно высокого уровня, при котором поступление тока в светодиод прекратится. Таким образом, минимальный ток R6 гарантируется конструкцией схемы, и остается побеспокоиться о том, как обеспечить максимальный ток R6.

На втором шаге необходимо рассчитать CTR оптрона для наихудшего случая. Оптроны с цифрами «817» в обозначении типа предлагаются многими производителями. Все они совместимы друг с другом по выводам и отличаются только префиксами. В Таблице 1 в качестве примера приведены диапазоны CTR для различных групп оптронов 817, маркируемых однобуквенными суффиксами в конце обозначения. Приведенные в таблице данные справедливы при температуре 25 °C для прямого тока светодиода 5 мА. Показанные на Рисунках 2 и 3 графики зависимостей CTR от окружающей температуры и тока светодиода взяты из справочной документации.

Предположим, что ваш источник питания должен работать в диапазоне температур от –40 °C до 85 °C. На основании Рисунка 2 определяем, что для температуры 85 °C минимальное значение CTR нужно умножить приблизительно на 0.7. Если вы выбрали оптрон 817 группы «A», минимальное значение CTR теперь будет равно всего 56%. Деление результата, полученного из формулы (1), на 0.56 показывает, что без учета зависимости CTR от тока, максимальный ток, который может потребоваться светодиоду, составляет, по крайней мере, 4.96 мА. Впрочем, как видно из Рисунка 3, пологий характер графика при 4.96 мА позволяет этой зависимостью пренебречь.

Третий, и последний шаг – выбор такого значения сопротивления R1, чтобы тока TL431 при любых условиях хватало для управления оптроном. Минимальное напряжение на катоде TL431 равно 2.5 В, а прямое падение напряжения на светодиоде оптрона может достигать 1 В. Используя эти параметры, рассчитаем максимальное значение R1 с помощью формулы (3):

При использовании резистора R1 с сопротивлением более 1.7 кОм выходного тока TL431 для поддержания режима стабилизации может оказаться недостаточно. Тогда выходное напряжение будет продолжать рост до тех пор, пока светодиод оптрона не получит необходимое количество тока. Это приведет к перенапряжению на выходе, и, скорее всего, произойдет при более высоких температурах.

Проблемы разброса параметров часто упускают из виду на этапе проектирования. Источники питания из опытной партии легко могут пройти выходной контроль, а неприятности возникнут позже, когда потребители начнут возвращать продукцию. Следуя описанной здесь простой процедуре расчета, вы можете сэкономить деньги своей компании и не огорчить ее клиентов.

Current Transfer Ratio (CTR) and Response Time of Photocouplers / Optocouplers

The current transfer ratio is a parameter similar to the DC current amplification ratio of a transistor (h_FE) and is expressed as a percentage indicating the ratio of the output current (I_C) to the input current (I_F).
CTR(%) = (I_C/I_F) x 100

The CTR has the following characteristics and is therefore as important as the insulation tolerance among the characteristics of a photocoupler.

• It depends on the current input to the light-emitting diode (LED) (I_F)
• It is affected by the room temperature
• It changes with the operating time (age)

Sufficient care must therefore be taken with the CTR when designing; if design is not executed making enough allowance for these points, the output may be too small, causing malfunction.

Additionally, an AC (alternating current) input capable photocoupler has two LEDs (light emitting diodes) on the input side, so a CTR will also exist for each of these LEDs.

Even if I_F with the same positive and negative value is input, the value of the output current I_C will differ for each polarity of I_F, so care must be taken on these points as well.

CTR Dependency on LED Input Current (I_F)

The CTR depends on the LED input current (I_F); as shown in Figure 1, the CTR decreases from a maximum point when the input current is both increased and decreased.

Figure 1. Example of CTR Dependency on I_F

It is particularly important that the positive and negative curves of the CTR vs. input current variation slope differ between the small current area (around I_F = 1mA) and the large current area (around I_F = 20mA). In other words, the value of I_F should be designed larger than necessary because the output current I_C becomes substantially smaller as the value of I_F decreases in the small current area. Conversely, in the large current area, the output current I_C does not become as large as expected even if the value of I_F increases, so the value of I_C should be designed less than your expectation.

CTR Dependency on Temperature

Whereas the LED luminous efficiency has a negative temperature coefficient, h_FE of the transistor has a positive temperature coefficient. Therefore, the CTR dependency on the temperature is a combination of these two parameters.

As shown in Figure 2, the CTR dependency on the temperature is normally realized by synthesizing the above two temperature coefficients.

Figure 2. Mechanism of CTR Dependency on Temperature

The diagram below shows an example of an actual product.

Figure 3. Example of CTR Temperature Characteristics

Change of CTR over Operating Time

The CTR of a photocoupler is based mainly on the following factors.

• The luminous efficiency of the LED
• The optical coupling efficiency between the LED and the photo-transistor
• The photo-electrical conversion efficiency and DC amplification (h_FE) of the photo-transistor

Figure 4. Example of Estimated Curve of CTR Change Over Time (Typical Values)

Figure 5 shows an example of the estimated life of a photocoupler according to differences in the LED input current (I_F) and the ambient temperature (T_A).

Figure 5. Example of Estimated Life of Photocoupler Based on CTR

Response Time

The response time of a photocoupler is similar to that of a transistor, and is expressed as follows.
t_f // R_L X h_FE X C_CB

R_L: Load resistance, h_FE: DC amplification, C_CB: Capacitance between collector and base

From this formula, t_f increases as the load resistance increases as shown in Figure 6, so for high-speed signal transfer, the load resistance must be designed as small as possible within the allowable rating range.

Figure 6. Response Time vs. R_L Characteristics

However, when the load resistance is minimized, the transistor may not become completely ON and the output signal may be unstable unless the input current I_F and output current I_C are determined to be making sufficient allowance for factors such as the CTR specification range, the temperature characteristics, and the change over time.

Some examples of these characteristics are introduced below.

Figure 7 shows an example of the variation in the response time according to the ambient temperature (T_A).

Figure 7. Response Time vs. T_A Characteristics

Figure 8 shows an example of the variation in the response time according to the input current (I_F).

Figure 8. Response Time vs. I_F Characteristics

Figure 9 shows an example of the variation in the response time according to the power supply current (V_CC).

Current transfer ratio оптопары что это

Вопрос 1: Как узнать при каком напряжении (или токе) на входе сработает выходной ключ?

Вопрос 2: Как добиться того, чтобы при входном напряжении от 0 до 24В граница переключения была около 10В? Желательно без компаратора.

оптрон это линейное (если быть точным не очень линейное) устройство — мало тока подал в светодиод -он немного откроется, побольше поддать — откроется полностью. так же это зависит от тока в транзисторе. так что читайте даташиты.

а так то — при 5 ма тока через диод и 10 кОм нагрузки в коллекторе транзистора — он должен полность открыться _получится лог 0. на выходе

Цитата откуда-то из интернета:

Надо полагать, что нелинейность эта относительная, т.е. для аналогового сигнала не подходит, но для цифрового не должно доставлять неприятностей?

Читаю даташит на PC817 и в упор не вижу, зависимости выхода от входа.

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Ведущий производитель электрического оборудования компания MORNSUN выпустила серию источников питания на DIN-рейку LI100-20BxxPR3 c выходами на 12, 15, 24 и 48 В. ИП позиционируются для умных домов, а так же используются в составе оборудования для промышленной автоматизации, различных производственных машин, рельсовых систем транспортировки и другого оборудования, работающего в условиях неблагоприятной окружающей среды.

Fig 4 Fig 5 если не ошибаюсь.

ploop, точно — целую минуту подбирал термин, и не нашел ничего лучшего )

Компания MEAN WELL продолжает активное развитие номенклатуры, осваивая новые направления и обновляя существующую продукцию с учетом возрастающих требований. В настоящий момент в Компэл представлено множество недавно вышедших новинок MEAN WELL.
MEAN WELL выпустил ряд таких новинок как мощные высоковольтные управляемые источники питания, DC/DC-преобразователи со сверхшироким входом (с креплением на DIN-рейку и на шасси), полностью обновил линейку зарядных устройств (ЗУ), DC/AC-преобразователей (инверторов) и ИБП для охранно-пожарных систем. Кроме того, выпущены специальные источники питания с выходным напряжением в виде ШИМ для светодиодных лент и модулей управляемых по DALI2 и 0…10 В, а также другая продукция.

Фиг 5 — это зависимость напряжения от тока светодиода для разных температур.
Фиг 4 — это зависимость коэффициента усиления по току от тока светодиода.

Вот и поди знай что в данном случае есть коэффициент усиления по току.

koyodza, спасибо за разъяснения. Наверное такой разброс CTR обусловлен низкой ценой этого оптрона.

. здесь было написано слишком очевидное.

Не совсем. Вообще-то это целая микросхема, которая ведёт себя как стабилитрон на 2,5В, если замкнуть вход управления с катодом.
Когда на управляющем входе напряжение относительно анода больше чем 2,5В, управляемый стабилитрон открыт и течет ток по цепи анод-катод, когда меньше — закрыт и ток не течет. Часто используется в линейном режиме, когда есть ООС прямо с катода или с выхода схемы, в которой он применяется, но Вам нужен именно пороговый режим.
Для этого нужно собрать примерно такую схему, номиналы указаны для порогового напряжения 10В, максимального входного напряжения 30В, CTRmin=50%, напряжения в цепи нагрузки 24В и сопротивления нагрузки 10кОм
Для других исходных значений нужно пересчитать номиналы.

Для "спасибов" тут есть кнопочки + и — под надписью "Рейтинг сообщения" в каждом сообщении, не ленитесь их нажимать

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Кто сейчас на форуме

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 11