Jak na optočleny? Třeba s modulem pro aktivní učení

Na stránkách společnosti Analog Devices vychází již několik let v části „StudentZone“ užitečné články seznamující studenty elektrotechniky, ale třeba i čerstvé absolventy názornou formou se základními principy analogové elektroniky. Příspěvek z letošního dubna nese název „ADALM2000 Activity: Optocouplers“.

Co je cílem

V rámci tohoto cvičení si vytvoříte optočlen složený z infračervené LED a fototranzistoru NPN. Zároveň prozkoumáte činnost analogového izolačního zesilovače s optočlenem a také plovoucího zdroje proudu využívajícího integrované optočleny.

Optočlen s tranzistorem NPN

O co se jedná

Optočlen, nebo také optoelektronický oddělovací prvek, je součástkou navrženou k přenosu elektrických signálů prostřednictvím světla vyzařovaného mezi vstupem a výstupem skrz elektrickou izolační bariéru. Hlavním účelem optočlenu je zamezit vysokým napětím či napěťovým špičkám na jedné straně bariéry v poškození součástek nebo chránit před vznikem interferencí, pokud jde o přenos signálů na opačnou stranu. Komerčně dostupné optočleny mohou přitom ustát napětí mezi vstupem a výstupem od 3 kV do 10 kV, resp. přechodové jevy s rychlostí přeběhu až 10 kV/µs.

Součástka obvykle zahrnuje infračervenou LED na straně jedné (vstup) a optický detektor typu fotodiody či fototranzistoru na straně druhé, vzájemně oddělené elektrickou izolační bariérou, viz obr. 1. Pokud je LED vypnutá, tzn. že nesvítí, nepoteče do báze tranzistoru žádný fotoelektrický proud, takže je rovněž vypnutý. Jakmile však necháme přes LED procházet proud, takže svítí, a na bázi tranzistoru obdržíme dostatečnou úroveň proudu, může prvek konečně sepnout.

Obr. 1 Optočlen s tranzistorem NPN

Jak na to

Nejdříve si vyrobíme svůj vlastní optočlen a použijeme k tomu infračervenou LED s fototranzistorem NPN dodávané v sadě „Analog Parts Kit“ ADALP2000. Pokud pro tato laboratorní cvičení sadu se součástkami nevyužíváte, můžete je nahradit obdobnými prvky, nicméně dosahované výsledky se mohou v závislosti na zvolených součástkách lišit.

Jako první ohneme vývody LED a fototranzistoru o 90 stupňů tak, aby po zapojení do nepájivého pole mohly stát obě součástky proti sobě a také ve stejné výšce. Abychom patřičné spojení udrželi, a vyhli se navíc vlivu okolního světla, bude nejlepší použít krátkou trubičku nebo černou elektrikářskou pásku vhodné šíře se kterou spojení diody a fototranzistoru dle obr. 4 „omotáme“.

Obr. 4 Hotový vazební člen

Rozpiska součástek

• modul ADALM2000 (Active Learning Module)
• nepájivé pole
• propojovací vodiče
• 2x rezistor 2,2 kΩ
• 1x jednoduchý operační zesilovač typu OP27

Návod

Na nepájivém poli zapojte obvod dle obr. 5. Všimněte si, že zde fototranzistor NPN pracuje jako proudová nora s emitorem připojeným k zemi. Dále upozorňujeme, že delší ze dvou vývodů fototranzistoru bude jeho kolektor a kratší vývod LED pak máme zapojený na zem. Ještě jednou si projděte dokumentaci k součástám, abyste se ujistili, že máte vše správně zapojeno.

Obr. 5 Typické zapojení s optočlenem mezi vstupem a výstupem

Nastavení přístrojů

Nastavte generátor průběhů tak, aby vyráběl trojúhelníkový signál na kmitočtu 100 Hz s amplitudou 3 V špička – špička a offsetem 2,5 V. Oba kanály osciloskopu nastavte s citlivostí 1 V/dílek.

Postup

Na kanálu osciloskopu č. 1 měříme napětí na rezistoru R1 a tudíž i vstupní proud tekoucí do LED. Kanál č. 2 pak měří napětí na rezistoru R2, tzn. výstupní proud tekoucí kolektorem tranzistoru NPN. Parametr CTR, tedy „current transfer ratio“, bude jednoduše tvořen poměrem obou zmíněných proudů. Odráží zde zesílení, účinnost nebo též citlivost součástky.

Obr. 6 Zapojení optočlenu na nepájivém poli

Obr. 7 Optočlen a průběhy sledované na časové ose (Scopy)

Návod

Nyní u osciloskopu změňte vstup 1– kanálu č. 1 a zapojte jej na zem. Poté přesuňte vstup 2+ kanálu č. 2 u osciloskopu na kolektor fototranzistoru a vstup osciloskopu 2– opět na zem.

Nastavte u generátoru průběhů obdélníkový signál s kmitočtem 5 kHz, amplitudou 5 V špička – špička a offsetem 2,5 V. Citlivost obou kanálů osciloskopu by měla být 1 V/dílek.

Postup

Kanál osciloskopu č. 1 nyní měří vstupní signál, zatímco kanál č. 2 pak ten výstupní. Rychlost optočlenu lze popsat na základě zpoždění mezi průběhy na vstupu a výstupu. Dalším ukazatelem rychlosti součástky se pak stávají náběžné a sestupné hrany výstupního signálu. Ještě jinou metodou pro testování kmitočtové odezvy optočlenu bude použití obvodového analyzátoru – nástroje v rámci softwaru Scopy. Rozmítání nastavte u kmitočtu od 10 Hz do 100 kHz. Amplituda AWG bude 2 V špička – špička a offset AWG pak 3 V, nebo jakákoli jiná DC úroveň s ohledem na střed výstupního signálu ve vašem zapojení s vazebním členem.

Buzení LED s převodníkem napětí na proud

Pokud LED zapojíme do zpětnovazební smyčky operačního zesilovače v konfiguraci převodníku napětí na proud, dokážeme výrazně potlačit vliv nelinearity svítivé diody.

Návod

Upravte nyní zapojení na nepájivém poli tak, aby odpovídalo schématu dle obr. 8. Povšimněte si, že fototranzistor NPN nyní vystupuje jako proudový zdroj s kolektorem připojeným ke kladnému napájecímu napětí 5 V, Vp. Chceme tím ukázat, že způsob, jakým jsou napětí na vývodech tranzistoru konfigurována, vlastně nehraje roli.

Obr. 8 Buzení LED s převodem napětí na proud

Nastavení přístrojů

Generátor průběhů nastavte tak, aby vyráběl trojúhelníkový signál na kmitočtu 100 Hz, s amplitudou 3 V špička – špička a offsetem 2,5 V. Oba kanály osciloskopu mají citlivost 1 V/dílek.

Postup

Proveďte znovu stejná měření, jako v případě verze tohoto zapojení s obyčejným rezistorem dle obr. 5. Změňte průběh AWG na obdélníkový a ještě jednou změřte zpoždění plus náběžné a sestupné hrany, což také uvedete v laboratorním protokolu. Přepněte AWG na sinusový signál (stejná frekvence 1 kHz jako předtím) a znovu změřte harmonické zkreslení. Nezapomeňte nastavit amplitudu AWG společně s offsetem tak, abyste obdrželi podobné výstupní průběhy, jako u předchozího zapojení.

Obr. 9 Zapojení na nepájivém poli při buzení LED s převodníkem napětí na proud

Obr. 10 Časové průběhy při buzení LED s převodem napětí na proud (Scopy)

Analogový izolační zesilovač

Abychom vytvořili zesilovač s ještě lepší linearitou, můžeme použít dva odpovídající optočleny. Pro takové zapojení se budou nejlépe hodit jejich integrovaná provedení.

Předchozí konfigurace s převodem napětí na proud potlačila nelinearitu LED. Jestliže však do zpětnovazební smyčky zahrneme i fototranzistor, dokážeme rovněž snižovat vliv nelinearity, pokud jde o charakteristiku fototranzistoru a převod světla na proud.

Rozpiska součástek

• 2x optočlen NPN (pro volbu konkrétní součástky viz dodatek)
• 1x kondenzátor 0,0047 μF (472)
• 1x rezistor 470 Ω

Návod

Na nepájivém poli sestavte obvod dle obr. 11. Přesné zapojení optočlenů se může lišit v závislosti na typu, který použijete (pouzdro se čtyřmi či šesti vývody atd.). Vyznačená čísla vývodů bývají u provedení se čtyřmi piny obvykle standardem. V případě konkrétní součástky určitě nahlédněte do dokumentace výrobce, abyste věděli, jak ji správně zapojit.

Obr. 11 Unipolární napěťový vstup

Obr. 12 Bipolární napěťový vstup

Nastavení přístrojů

Začněte s generátorem průběhů nastaveným u trojúhelníkového signálu na kmitočet 100 Hz, amplitudu 4,8 V špička – špička a offset 2,5 V, tak jako v případě předchozích dvou konfigurací. Oba kanály osciloskopu pracují s citlivostí 1 V/dílek.

Postup

Zopakujte stejná měření jako u předchozích dvou verzí obvodu. Změňte průběh AWG na obdélníkový a změřte znovu zpoždění a náběžné / sestupné hrany. Zvolte u generátoru sinusový signál (stejný kmitočet 1 kHz jako předtím) a ještě jednou změřte harmonické zkreslení. Nezapomeňte nastavit amplitudu AWG, včetně offsetu, tak, abyste obdrželi podobné výstupní průběhy jako u dřívějších zapojení.

Otázky:

1. můžete vyjmenovat výhody při použití optočlenů?
2. můžete uvést některé aplikace z praxe, které optočleny používají?

Odpovědi najdete na blogu StudentZone.