Оптопары: устройство, принцип работы и гальваническая развязка

Оптопара решает задачу, которая на первый взгляд кажется невыполнимой: передать сигнал из одной цепи в другую так, чтобы электрической связи между ними не осталось вовсе. Внутри корпуса светодиод светит на фотоприемник через прозрачную изоляцию, и сигнал переходит светом, а не током. Благодаря этому микроконтроллер на 3,3 В спокойно управляет сетевой нагрузкой 230 В и остается цел даже при аварии в силовой части. Разберем, как устроена оптопара, что означает загадочный параметр CTR, почему он падает со временем, чем отличаются транзисторный, логический и симисторный выходы и как рассчитать обвязку на живых числах.

Содержание

• Что такое оптопара
• Зачем нужна гальваническая развязка
• Как она устроена внутри
• CTR: главный параметр и его коварство
• Напряжение изоляции: что означает цифра
• Транзисторный выход
• Логический выход
• Симисторный выход и детектор нуля
• Другие виды оптопар
• Сравнительная таблица типов
• Расчет обвязки с примерами
• Разводка платы: где теряется изоляция
• Оптопара, цифровой изолятор или реле
• Как проверить оптопару
• Как выбрать оптопару
• Типичные ошибки
• Частые вопросы

Что такое оптопара

Оптопара, она же оптрон или оптоизолятор, это прибор из двух элементов в одном корпусе: излучателя и фотоприемника. Излучатель это инфракрасный светодиод, фотоприемник это фототранзистор, фотодиод, фототиристор или более сложная схема. Между ними прозрачный слой изоляции, через который проходит свет, но не проходит ток.

Логика работы простая. Подали ток на светодиод, он засветился, фотоприемник это увидел и открылся. Убрали ток, светодиод погас, фотоприемник закрылся. Сигнал перешел с входа на выход, но электрической связи между входом и выходом нет, у них могут быть разные потенциалы, разные земли и разные уровни напряжения.

Именно эта особенность делает оптопару незаменимой. Обычный транзистор передает сигнал, но связывает цепи по общему проводу. Оптопара передает сигнал и одновременно разрывает связь. О самих транзисторах и о том, как они управляют током, подробно рассказано в статье про виды и принцип работы транзисторов.

Зачем нужна гальваническая развязка

Причин ставить оптопару четыре, и они разные по природе.

Разные потенциалы. Силовая часть работает от сети, управляющая от низковольтного источника. Соединить их общим проводом означает вывести сетевой потенциал на плату с микроконтроллером. Оптопара передает команду, не соединяя земли.

Защита при аварии. Если в силовой части пробьет ключ или замкнет нагрузку, разрушения останутся в силовой части. Изоляционный барьер оптопары не пропустит высокое напряжение к контроллеру, датчикам и интерфейсу. Стоимость оптопары измеряется десятками рублей, стоимость платы управления совсем другая.

Безопасность человека. В приборах, где пользователь касается разъемов или корпуса, изоляция между сетевой частью и доступными цепями обязательна по нормам. Здесь применяют оптопары с сертифицированной безопасной изоляцией.

Разрыв контуров по земле. Когда два узла соединены и по сигнальному проводу, и по общему, через получившееся кольцо текут паразитные токи. В аудиотехнике это фон, в измерительной технике погрешность, в интерфейсах передачи данных сбои. Развязка разрывает кольцо.

Отдельный частый случай это обратная связь импульсного блока питания. Выходное напряжение надо сравнить с эталоном и передать сигнал ошибки обратно на первичную сторону, где живет сетевой потенциал. Классическое решение это управляемый стабилитрон и оптопара, сигнал переходит через барьер светом. Как устроены сами преобразователи, разобрано в статье про стабилизаторы напряжения.

Как она устроена внутри

Внутри корпуса излучатель и приемник смотрят друг на друга. Между ними лежит прозрачный компаунд, который выполняет две работы сразу: проводит свет и держит напряжение. Снаружи все это залито светонепроницаемым пластиком, чтобы посторонний свет не влиял на приемник, а излучение не уходило наружу.

Излучателем служит светодиод на арсениде галлия с длиной волны около 940 нанометров, то есть в инфракрасном диапазоне. Выбор не случаен: такой светодиод быстро включается, долго живет и хорошо согласуется по спектру с кремниевым фотоприемником. Прямое падение на нем около 1,2 вольта, заметно выше, чем у обычного кремниевого диода. О расчете токоограничивающего резистора для светодиодов подробно написано в статье про светодиоды и их подключение.

Корпуса чаще всего четырех и шестивыводные: DIP для выводного монтажа и SOP для поверхностного. У шестивыводных обычно выведена база фототранзистора, ее используют для настройки чувствительности и скорости, но в большинстве схем оставляют не подключенной.

CTR: главный параметр и его коварство

Ключевая характеристика оптопары называется коэффициентом передачи тока, по-английски current transfer ratio, сокращенно CTR. Это отношение выходного тока к входному, выраженное в процентах:

CTR = Iвых / Iвх × 100 процентов

CTR 100 процентов означает, что ток 10 мА через светодиод даст ток 10 мА в выходной цепи. CTR 200 процентов означает 20 мА на выходе при тех же 10 мА на входе, то есть оптопара работает еще и усилителем.

Первая ловушка в том, что разброс CTR огромен. У массовой оптопары PC817 без сортировки он лежит в диапазоне от 50 до 600 процентов, то есть двенадцатикратный разброс между экземплярами одной партии. Производитель сортирует детали по рангам и ставит букву после наименования: у ранга A это 80-160 процентов, у B 130-260, у C 200-400, у D 300-600. Схема обязана работать при минимальном CTR своего ранга, а не при типовом.

Вторая ловушка серьезнее. CTR падает со временем. Инфракрасный светодиод постепенно деградирует, его яркость при том же токе снижается, и выходной ток падает вместе с ней. Скорость деградации зависит от рабочего тока и температуры: чем сильнее гоняешь светодиод, тем быстрее он стареет. За несколько лет работы CTR может упасть вдвое.

Третья особенность: CTR зависит от рабочего тока нелинейно. У транзисторных оптопар он максимален где-то в районе 5-10 мА и заметно проседает и при токах в доли миллиампера, и при токах в десятки миллиампер. Работа на самом краю диапазона дает результат хуже, чем в середине.

Схему с оптопарой считают по худшему случаю: берут минимальный CTR указанного ранга и делят его пополам на деградацию за срок службы. Если расчет сходится при этих цифрах, устройство проработает годы. Если сходится только при типовом CTR, оно начнет сбоить через сезон-другой, и найти причину будет тяжело.

Напряжение изоляции: что означает цифра

Второй по важности параметр это напряжение изоляции, Viso. У массовых оптопар оно составляет 2500 или 3750 вольт, у приборов для сетевых цепей 5000 вольт.

Здесь важно понимать, что это не рабочее напряжение. Цифра означает испытательное среднеквадратичное напряжение, которое деталь выдерживает ограниченное время, обычно одну минуту, при заводском контроле. Постоянно работать под таким напряжением оптопара не может.

Для длительной работы производители нормируют отдельный параметр, рабочее изоляционное напряжение, и оно в разы ниже испытательного. Для оптопары с Viso 5000 вольт рабочее может составлять несколько сотен вольт. Именно эту цифру и надо сравнивать с напряжением в схеме, а не крупную рекламную на первой странице даташита.

Для аппаратуры, где изоляция отвечает за безопасность человека, выпускают приборы с сертификацией по профильным стандартам. У них нормированы и рабочее напряжение, и минимальные зазоры, и стойкость к импульсам. В цепи, где на другой стороне барьера находится человек, ставят именно такие детали, а не первую попавшуюся оптопару с красивой цифрой.

Транзисторный выход

Самый массовый тип. На выходе стоит фототранзистор, свет от светодиода играет роль тока базы. Типичные представители это PC817 в четырехвыводном корпусе и 4N35 в шестивыводном.

Сильные стороны: копеечная цена, простая схема включения, приличный CTR, выходное напряжение обычно до 35-70 вольт. Ставят их всюду, где надо развязать медленный сигнал: вход контроллера от кнопки в силовой цепи, обратная связь блока питания, передача состояния концевика.

Слабая сторона одна и заметная: низкое быстродействие. Время включения и выключения у транзисторных оптопар измеряется единицами и десятками микросекунд, потолок по частоте лежит в районе десятков килогерц. Причина в том, что фототранзистор имеет большую емкость перехода, а рассасывание накопленного заряда занимает время. Для интерфейса передачи данных на сотни килобит такая деталь уже не годится.

Отдельная разновидность это оптопары с составным выходным транзистором, схемой Дарлингтона. CTR у них достигает тысяч процентов, то есть развязать можно совсем слабый сигнал. Расплата в еще меньшем быстродействии и большем остаточном напряжении на открытом выходе.

Логический выход

Когда нужна скорость, ставят оптопару с логическим выходом. Внутри у нее не фототранзистор, а фотодиод с быстродействующим усилителем и триггером на выходе. Классика этого класса это 6N137 и родственные приборы.

Выход у них цифровой, обычно с открытым коллектором, поэтому в схеме нужен внешний подтягивающий резистор. Понятия CTR здесь нет вовсе: производитель задает минимальный ток светодиода, при котором выход гарантированно переключается, обычно около 5 мА.

Быстродействие на порядки выше транзисторных: задержки измеряются десятками наносекунд, скорость передачи достигает 10 мегабит в секунду. За это их ставят в развязанные интерфейсы, изолированные линии передачи данных и цепи управления быстрыми ключами.

Есть и приятная особенность: раз выход цифровой, деградация светодиода не влияет на форму сигнала, пока тока хватает для переключения. Проблема со старением здесь мягче, чем у транзисторных, где выходной ток напрямую зависит от яркости.

Симисторный выход и детектор нуля

Отдельный класс предназначен для управления сетевой нагрузкой. На выходе у него не транзистор, а маломощный симистор или тиристор, который отпирается светом. Ходовые представители это семейство MOC302x и MOC304x.

Сам по себе такой прибор коммутирует небольшой ток, обычно до сотни миллиампер импульсно. Его задача не питать нагрузку, а отпирать управляющий электрод мощного симистора, который уже стоит в сетевой цепи. Получается связка: контроллер зажигает светодиод, оптосимистор отпирает силовой симистор, тот включает нагрузку.

Внутри класса есть принципиальное деление, которое часто путают.

Без детектора нуля. Прибор отпирается сразу, как только загорелся светодиод, в любой точке синусоиды. Это нужно для фазового управления мощностью, то есть для диммеров и регуляторов оборотов, где момент включения внутри полупериода и задает уровень мощности.

С детектором нуля. Внутри добавлена схема, которая пропускает отпирание только вблизи момента перехода сетевого напряжения через ноль. Включение в нуле резко снижает бросок тока и уровень помех, а для нагревателей, ламп и моторов это оптимальный режим. Но для диммера такой прибор бесполезен, регулировать им нечего.

Подмена одного типа другим приводит к неочевидным отказам. Оптопара с детектором нуля в диммере не даст регулировки, а оптопара без него в цепи с индуктивной нагрузкой добавит помех и бросков тока. Тип детектора смотрят в даташите: у семейства MOC различить их по внешнему виду невозможно, только по маркировке на корпусе.

Другие виды оптопар

• С полевым выходом. Внутри линейка фотодиодов вырабатывает напряжение от света и открывает MOSFET. Получается полноценный твердотельный ключ без механики. На этом принципе строят твердотельные реле, которые коммутируют и переменный, и постоянный ток.
• Драйверы затвора. Специализированные приборы для управления силовыми MOSFET и IGBT в мостовых схемах. Дают на выходе ток в единицы ампер и имеют высокую стойкость к скачкам напряжения между сторонами барьера, параметр называется CMTI.
• Линейные. Внутри один светодиод и два одинаковых фотодиода: один в цепи обратной связи на входной стороне, второй на выходной. Обратная связь компенсирует и разброс, и деградацию, поэтому такой прибор передает через барьер аналоговый сигнал с приличной точностью.
• Оптические датчики положения. Формально та же пара излучатель плюс приемник, но с открытым промежутком: щелевые датчики ловят проходящую шторку, отражательные реагируют на приближение предмета. Развязка тут побочный эффект, задача другая.

Сравнительная таблица типов

Расчет обвязки с примерами

Расчет распадается на две части: входную цепь светодиода и выходную цепь приемника.

Входной резистор

Считается по закону Ома, как у обычного светодиода, с поправкой на прямое падение около 1,2 вольта.

R = (Uупр − Uпр) / Iпр

Пример. Управляем от вывода микроконтроллера с напряжением 3,3 В, хотим ток 10 мА. Считаем: R = (3,3 − 1,2) / 0,01 = 210 Ом. Ближайший номинал ряда E24 это 220 Ом, при нем реальный ток составит (3,3 − 1,2) / 220 = 0,0095 А, то есть 9,5 мА. Мощность на резисторе P = 2,1 × 0,0095 = 0,02 Вт, хватает корпуса 0,125 Вт с большим запасом. О номинальных рядах и подборе мощности написано в статье про виды и характеристики резисторов.

Выходная цепь по худшему случаю

Продолжим пример. Взяли PC817 ранга B, минимальный CTR у него 130 процентов. Считаем гарантированный выходной ток: 9,5 × 1,3 = 12,4 мА. Теперь закладываем деградацию светодиода и делим пополам: остается около 6 мА. Это и есть цифра, на которую надо опираться.

Дальше проверяем, хватит ли этого тока. Пусть выход подтянут резистором 10 кОм к 5 вольтам и заводится на цифровой вход. Чтобы уверенно притянуть выход к нулю, транзистору нужно провести ток 5 / 10000 = 0,5 мА. У нас в запасе 6 мА, то есть двенадцатикратный запас. Схема будет работать и через пять лет.

Если бы подтяжка была 1 кОм, потребовалось бы 5 мА, и запас сжался бы почти до нуля. Отсюда практическое правило: подтягивающий резистор берут таким, чтобы требуемый ток был в несколько раз меньше расчетного выходного по худшему случаю.

Резистор для оптосимистора

В сетевой схеме между выходом оптосимистора и управляющим электродом силового симистора ставят ограничительный резистор. Считают его по амплитуде сетевого напряжения и предельному импульсному току оптопары.

Пример. Сеть 230 В, амплитуда составляет 230 × 1,41 = 325 В. Предельный импульсный ток у приборов семейства MOC около 1 А. Тогда R = 325 / 1 = 325 Ом, берем ближайший больший стандартный номинал 360 Ом. Такой резистор гарантирует, что даже при отпирании в момент амплитуды ток через оптопару не выйдет за предел.

Разводка платы: где теряется изоляция

Это тот раздел, который пропускают чаще всего, а он способен свести на нет всю изоляцию.

Оптопара держит киловольты внутри корпуса, но между ее выводами на плате изоляцию обеспечивает уже сама плата. Если развести дорожки так, что вход и выход сближаются, барьер пройдет не через оптопару, а по стеклотекстолиту, и там он окажется гораздо слабее.

Правила простые и жесткие. Под корпусом оптопары не должно проходить ни одной дорожки, соединяющей стороны барьера. Полигоны земли первичной и вторичной стороны разводят раздельно и с зазором. Часто в плате под оптопарой фрезеруют сквозную прорезь: она увеличивает путь тока утечки по поверхности и заодно наглядно показывает границу между сторонами.

Ширина зазора зависит от рабочего напряжения, степени загрязнения среды и класса изоляции, конкретные цифры берут из профильного стандарта на аппаратуру. Ориентир для сетевых цепей это несколько миллиметров, и экономить здесь нельзя: пыль, влага и следы флюса со временем только ухудшают ситуацию.

Оптопара, цифровой изолятор или реле

Оптопара не единственный способ развязать цепи, и в части задач она уже не лучший.

Цифровые изоляторы строятся на емкостной или трансформаторной связи внутри корпуса и вытесняют оптопары в быстрых цифровых линиях: у них нет светодиода, а значит нет и деградации. Оптопара остается там, где важны цена, простота и проверенность, а также в симисторном управлении, где ей замены почти нет. Про реле и их применение есть отдельная статья про устройство, виды и принцип работы реле, а про индуктивные элементы, на которых работают трансформаторные развязки, в статье про катушки индуктивности и дроссели.

Как проверить оптопару

Оптопара проверяется мультиметром лучше многих других деталей, потому что ее вход это обычный светодиод, а выход обычный транзистор. Проверку ведут на выпаянной детали, иначе соседние цепи исказят результат.

Шаг 1: вход

Переводим прибор в режим теста диода и касаемся выводов светодиода. В прямом включении исправный инфракрасный светодиод покажет падение примерно от 1,0 до 1,3 вольта, в обратном бесконечность. Ноль в обе стороны означает пробой, бесконечность в обе стороны обрыв. Метод тот же, что описан в статье про проверку диода мультиметром.

Шаг 2: выход в покое

Не подавая ничего на вход, проверяем выходные выводы в обоих направлениях. У исправной оптопары фототранзистор закрыт, прибор показывает очень высокое сопротивление или бесконечность. Если выход звонится накоротко, транзистор пробит.

Шаг 3: функциональная проверка

Это главный тест, он проверяет саму передачу. Собираем простую цепь: батарейка на 3 вольта, резистор 220 Ом и светодиод оптопары, соблюдая полярность. Одновременно к выходным выводам подключаем мультиметр в режиме измерения сопротивления, соблюдая полярность транзистора.

Пока цепь разомкнута, прибор показывает бесконечность. Как только подаем ток на светодиод, сопротивление выхода должно упасть до сотен ом или единиц килоом. Если падения нет, оптопара не передает сигнал, даже когда обе половины по отдельности звонятся нормально. Общие приемы работы с прибором собраны в статье о том, как пользоваться мультиметром.

Честная оговорка: так проверяются транзисторные оптопары. Приборы с логическим выходом требуют питания выходной части, а симисторные нуждаются в переменном напряжении на выходе, и настольной прозвонкой их полноценно не проверить.

Как выбрать оптопару

1. Определите тип выхода. Медленный сигнал это транзисторный, интерфейс данных логический, сетевая нагрузка симисторный, силовой ключ драйвер затвора, аналог линейный.
2. Посчитайте скорость. Сравните нужную частоту переключения с временем включения и выключения из даташита, с запасом хотя бы вдвое.
3. Возьмите CTR с двойным запасом. Считайте по минимуму своего ранга и делите пополам на деградацию.
4. Проверьте рабочее напряжение изоляции. Не испытательное Viso, а именно рабочее, длительное. В цепях, где на другой стороне человек, берите приборы с сертифицированной изоляцией.
5. Сверьте выходные пределы. Максимальное напряжение и ток выхода должны перекрывать режим схемы с запасом.
6. Задайте ток светодиода в середине диапазона. Обычно 5-15 мА: там CTR максимален, а деградация умереннее, чем на предельном токе.
7. Выберите корпус. Серийная плата это SOP, макет и ремонт выводной DIP, а для сетевых цепей корпус с увеличенными зазорами между сторонами.

Подобрать деталь по типу выхода, CTR, напряжению изоляции и быстродействию удобно фильтрами в каталоге Эиком: оптопары с транзисторным выходом, оптопары с логическим выходом и оптопары с симисторным выходом вынесены в отдельные разделы.

Типичные ошибки

• Расчет по типовому CTR. Самая массовая ошибка. Схема работает на столе и начинает сбоить через год, когда светодиод потерял яркость. Считать надо по минимуму ранга, деленному пополам.
• Светодиод без резистора. Оптопару подключают к выводу контроллера напрямую, и светодиод выгорает так же, как выгорел бы обычный. Ограничительный резистор обязателен.
• Перепутали Viso и рабочее напряжение. Цифра 5000 вольт на корпусе не означает, что деталь может годами работать под пятью киловольтами. Это испытательное значение на минуту.
• Дорожка под корпусом. Изоляция обходится по поверхности платы, и весь смысл оптопары теряется.
• Транзисторная оптопара в быстром интерфейсе. На частотах выше десятков килогерц фронты размазываются, и данные искажаются.
• Оптосимистор с детектором нуля в диммере. Регулировка не работает, потому что прибор физически не умеет отпираться в середине полупериода.
• Оптосимистор без ограничительного резистора. Импульсный ток в момент отпирания вблизи амплитуды сети выводит выходной кристалл из строя.
• Слишком большой ток светодиода. Двадцать миллиампер вместо десяти не улучшают CTR, зато вдвое ускоряют деградацию.

Частые вопросы

Что означает CTR у оптопары?

Это коэффициент передачи тока, отношение выходного тока к току светодиода в процентах. CTR 100 процентов означает, что 10 мА на входе дают 10 мА на выходе. Разброс между экземплярами огромен, у массовых приборов от 50 до 600 процентов, поэтому детали сортируют по рангам и обозначают буквой в наименовании. Расчет схемы ведут по минимальному CTR своего ранга.

Почему оптопара со временем перестает работать?

Стареет инфракрасный светодиод внутри: при том же токе он светит слабее, из-за чего падает выходной ток и снижается CTR. Скорость старения зависит от рабочего тока и температуры, за несколько лет CTR может упасть примерно вдвое. Именно поэтому в расчет закладывают двойной запас, а ток светодиода задают в середине рекомендованного диапазона, а не на пределе.

Чем отличается оптопара с детектором нуля от обычной?

Моментом отпирания. Прибор без детектора включается сразу при подаче тока на светодиод, в любой точке синусоиды, и нужен для фазового управления мощностью, то есть для диммеров. Прибор с детектором отпирается только вблизи перехода сетевого напряжения через ноль, что резко снижает броски тока и помехи. Для нагревателей и моторов берут вариант с детектором, для регулировки яркости без него.

Можно ли проверить оптопару мультиметром?

Транзисторную можно и нужно. В режиме теста диода светодиод покажет прямое падение около 1,0-1,3 вольта и бесконечность в обратную сторону, а выход в покое должен быть закрыт в обе стороны. Главный тест функциональный: подать ток на светодиод от батарейки через резистор и одновременно измерять сопротивление выхода, оно должно упасть с бесконечности до сотен ом. Приборы с логическим и симисторным выходом так проверить нельзя, им нужно рабочее питание.

Итог: оптопара передает сигнал светом и потому разрывает электрическую связь между цепями, а выбирают ее по типу выхода, быстродействию, рабочему напряжению изоляции и коэффициенту передачи тока с двойным запасом на разброс и деградацию. Отдельного внимания требует разводка платы, потому что изоляцию легко обойти дорожкой под корпусом. Оптопары всех типов, цифровые изоляторы и драйверы с гальванической развязкой с параметрами в карточках есть в разделе изоляторов каталога Эиком.

Читать также

• Реле: устройство, виды и принцип работы
• Транзисторы: виды, характеристики и принцип работы
• Светодиоды: характеристики, подключение и расчет резистора
• Стабилизаторы напряжения: линейные и импульсные
• Как пользоваться мультиметром: режимы, прозвонка и проверка деталей