Come seleziono i componenti di accompagnamento per un fotoaccoppiatore?

Sto usando un fotoaccoppiatore ( MOC3021 ) per rilevare lo stato On / Off di un apparecchio elettrico usando un microcontrollore ATmega16L. Come procedo a fare questo? Le mie specifiche di alimentazione di rete sono 230 V, 50 Hz. Come posso progettare il circuito circostante e selezionare i valori dei componenti, come i resistori?

EDITED il 13 giugno 2012 Nota: questa è la prima volta che risolvo un circuito come questo. Si prega di inviare qualsiasi feedback utile. (comprese le cose che ho fatto di sbagliato o eventuali miglioramenti)

Facendo riferimento allo schema sopra. L'idea è di utilizzare questo circuito per determinare se il carico è acceso o spento. Il pin di uscita dall'accoppiatore ottico si collega a un interrupt esterno del microcontrollore che sto utilizzando, che è ATmega16L. L'interruzione sarà Monitorare lo stato del carico. Dopo il monitoraggio posso attivare / disattivare lo stato del carico tramite un relè (il relè funge da meccanismo di controllo ) che si collega allo stesso microcontrollore.

Ora, ho provato a calcolare i valori della resistenza per R1, R2 e Rc. Nota, VIL del microcontrollore (max) = 0,2xVcc = 660 mV e VIH (min) = 0,6xVcc = 1,98 V e VIH (max) = Vcc + 0,5 = 3,8 V.

Calcolare Rc è abbastanza semplice. Quando il transistor non sta conducendo l' uscita è alta (a 3.3V). Quando il transistor conduce l' uscita viene abbassata. quindi dal punto di vista del microcontrollore, l'uscita alta significa che il carico è spento e l'uscita bassa significa che il carico è acceso.

Osservando la scheda tecnica per SFH621A-3, utilizzando il CTR minimo del 34% a IF = 1mA. Pertanto, all'ingresso 1mA, l'uscita sarà 340uA. Quindi, affinché il microcontrollore rilevi una bassa tensione dall'uscita dell'accoppiatore ottico, posso usare un valore di resistenza di 1Kohm? In modo che l' uscita dall'accoppiatore abbia una tensione di 340mV (che è inferiore a VIL (max) )

Più su questo dopo, è stata una lunga giornata.

EDITED il 15 giugno 2012

Nota: risoluzione per resistori sulla linea di alimentazione (R1 e R2). Si prega di controllare i miei calcoli e tutti i feedback appropriati.

Obiettivo : l'obiettivo è di mantenere i LED * ON ** per un periodo di tempo massimo in un periodo di 10 mS (20 mS periodo completo di 50Hz). Supponiamo che i LED debbano essere accesi per il 90% delle volte, ciò significa che i LED richiedono almeno 1 mA di corrente per il 90% delle volte per quel mezzo periodo, il che significa che i LED saranno attivi per 9 mS in un periodo di 10 mS. Quindi, 9mS / 10mS = 0.9 * 180 ( metà periodo ) = 162 gradi. Ciò mostra che la corrente sarà 1 mA tra 9 ° e 171 ° ( e inferiore a 1 mA da 0 ° a 9 ° e da 171 ° a 180 ° ). Il tempo di ON non è stato del 95% poiché lavorare con numeri interi è pulito e il 5% non fa alcuna differenza, almeno in questa applicazione.

Vpeak-peak = 230V x sqrt (2) = 325V. Tenendo conto delle tolleranze. Tolleranza minima del 6%. 325 x 0,94 ( 100-6 ) x sin (9) = 47,8 V.

Quindi, R1 ≤ (47,8 V - 1,65 V) / 1 mA = 46,1 Kohms Scegliendo un valore inferiore a 46,1 Kohms di 39 Kohms (serie e12). Ora che viene scelta una resistenza di valore inferiore rispetto a quanto calcolato, significa che la corrente attraverso i diodi sarà maggiore di 1 mA.

Calcolo della nuova corrente: ((325 V x 110%) - 1,25 V) / 39 Kohms = 9,1 mA (troppo vicino al massimo se dei diodi). Tornando a questo in un momento [Etichetta - 1x]

Calcola innanzitutto i valori di potenza del resistore (considerando 39 Kohm) ((230 + 10%) ^ 2) / 39K = 1,64 Watt (troppo alto).

Torna al calcolo [Etichetta - 1x] Consente di scegliere due resistori da 22 Kohm. Insieme sommano fino a 44 Kohm che è abbastanza vicino 46.1 Kohm (calcolato sopra)

verifica della potenza nominale dei due resistori combinati: ((230 + 10%) ^ 2) / (2 x 22) Kohm = 1,45 W. scegli 22 resistori Kohm ciascuno con potenza nominale di 1 W.

Ora, dopo tutto questo, il CTR iniziale era del 34%, il che significa che 1 mA in ingresso sarà 340µA in uscita . Ma ora a causa dei resistori Kohm 2x22 la corrente sarà leggermente più in uscita. Ciò significa un potenziale maggiore attraverso la resistenza di pull up Rc. Ci sarebbe un problema per ottenere una caduta di volt inferiore a 500mV sull'uscita dell'accoppiatore ottico ??

Il MOC3021 è un fotoaccoppiatore con uscita triac. È usato per pilotare un triac di potenza in genere per cambiare gli apparecchi funzionanti a rete. I triac possono essere utilizzati solo nei circuiti CA.

È necessario un fotoaccoppiatore con uscita a transistor, preferibilmente uno con due LED in antiparallelo all'ingresso. L' SFH620A è una tale parte.

I due LED in antiparallelo assicurano l'attivazione del transistor su entrambi i semicicli della rete. Molti accoppiatori ottici hanno solo 1 LED, che funzionerebbe, ma ti darà un impulso di uscita di 10ms in un periodo di 20ms per 50Hz. Dovresti posizionare un diodo in antiparallelo sull'ingresso anche in quel caso, per proteggere il LED dalla sovratensione quando polarizzato al contrario.

Importante è CTR o Current Transfer Ratio, che indica la quantità di corrente in uscita che il transistor affonderà per una data corrente LED. Il CTR spesso non è molto elevato, ma per SFH620A possiamo scegliere un valore minimo del 100%, solo che è a 10mA in, a 1mA è solo il 34% minimo, quindi 1mA in significa almeno 340$\mu$

$\Omega$$\mu$

$\mu$$\Omega$$\mu$

Se vogliamo avere un CTR di almeno il 34% a 1 mA, dobbiamo usare SFH620A-3.

$\leq$$V_{IN}$$V_{LED}$ ) / 1mA.

$\times$$\leq$$\Omega$$\Omega$$\times$ $\sqrt{2}$ $\times$$\Omega$

$\Omega$$\Omega$, che non è un valore E24. Possiamo scegliere il valore E24 più vicino e controllare i nostri calcoli o scegliere un E96. Facciamo quest'ultimo.

È tutto gente. :-)

modifica
Ho suggerito nel commento che c'è molto di più da tenere in considerazione, questa risposta potrebbe anche essere 3 volte più lunga. C'è ad esempio la corrente di dispersione in ingresso del pin I / O dell'AVR, che può essere dieci volte più alta di quella del transistor. (Non preoccuparti, l'ho controllato e siamo al sicuro.)

$\times$ $V_{DD}$
hanno abbastanza corrente di uscita, è solo che la corrente di ingresso 1mA è così alta che abbiamo bisogno di resistori di potenza per loro. I Darlington non risolvono necessariamente questo problema se sono anche specificati solo a 1mA. Con un CTR del 600% otterremmo una corrente del collettore di 6 mA, ma non ne abbiamo bisogno. Non possiamo fare nulla per l'1mA in? Probabilmente. Per l'accoppiatore ottico ho menzionato che le caratteristiche elettriche parlano solo di 1mA. C'è un grafico nel foglio dati, fig.5: CTR contro corrente diretta, che mostra un CTR di oltre il 300% a 0,1 mA. Devi stare attento con questi grafici. Mentre le tabelle spesso forniscono valori minimi e / o massimi, i grafici in genere forniscono valori tipici. Potresti avere il 300%, ma potrebbe essere inferiore. Quanto più in basso? Non dice. Se costruisci un solo prodotto puoi provarlo, ma puoi "
$\mu$$\mu$

Nella mia altra risposta ho spiegato perché non ho usato un accoppiatore ottico Darlington lì: il motivo principale è la tensione di saturazione di Darlington, che è molto più alta rispetto a un comune BJT, può essere alta quanto 1 V. Per l'ATmega16L tu ' il riutilizzo della tensione di ingresso massima per un livello basso è 0,2 × VDD o 0,66 V con un'alimentazione di 3,3 V. 1 V è troppo alto.

Ma non è una cosa che non può essere riparata, ci vogliono solo un paio di componenti extra. Allo stesso tempo faremo qualcosa anche per la corrente di ingresso da 1 mA.

Per iniziare con la corrente di ingresso, abbiamo dovuto usare 1 mA perché il foglio dati non menzionava nulla di più basso, quindi puoi provare le cose, ma sei da solo, non ci sono garanzie. La scheda tecnica per FOD816 , tuttavia, presenta un grafico interessante.

È lui. Questo fornisce CTR per correnti di ingresso fino a 100 µA, ed è persino alto: 350% (ricorda che questo è un Darlington). Ma devi stare attento con questi grafici. Mentre le tabelle spesso forniscono valori minimi o massimi, questo tipo di grafici fornisce valori tipici, se non diversamente indicato. Quindi qual è il minimo? Non lo sappiamo, ma il 100% è sicuro. Andiamo per ancora più sicurezza e assumiamo un CTR del 50%. Quindi per 100 µA in si ottengono 50 µA in uscita. Vediamo se è abbastanza.

Questo è lo stadio di uscita modificato. Il transistor di U1 è il foto-Darlington, che fornisce 50 µA quando è acceso. Scegliamo 10 µA per R4, quindi il suo valore sarà 0,6 V / 10 µA = 60 kΩ. Tornerò più tardi alla funzione di R4.

$H_{FE}$

$\times$

R4 ha ancora bisogno di qualche spiegazione. Supponiamo di ometterlo. Quindi tutta la corrente di Darlington va al T1. Quando è spento, la corrente di dispersione del FOD816 (chiamata "corrente oscura" nel foglio dati) può arrivare a 1 µA. T1 amplifica questo fino a 250 µA massimo nel caso peggiore, che è sufficiente a far scendere 3,3 V attraverso R5. Quindi l'output potrebbe essere permanentemente basso.
Abbiamo scelto un valore di 60 kΩ per R4. Quindi fino a quando la caduta di tensione attraverso di essa è inferiore a 0,6 V, tutta la corrente di Darlington passerà attraverso R4 e nessuna attraverso T1, poiché la tensione minima dell'emettitore di base non viene raggiunta. Quello era a 10 µA. Quindi la corrente oscura di 1 µA provocherà solo una caduta di 60 mV e nessuna corrente di base.

Abbiamo valori per tutti i nostri componenti, l'unica cosa rimasta è aumentare i resistori di ingresso a 220 kΩ ciascuno. Per questo puoi usare resistori da 1/4 W.

Per capire i parametri del circuito, inizia con ciò di cui hai bisogno in uscita e lavora all'indietro. 10 kΩ è un buon valore per il pullup sull'uscita. A meno che tu non abbia requisiti insoliti, come il funzionamento a batteria in cui è importante una bassa potenza, 10 kΩ è un buon compromesso tra abbastanza basso da tirare la linea in modo solido contro perdite e rumore ragionevole, ma non così basso da richiedere troppa corrente.

Quando il transistor di uscita nell'opto si accende, inserirà al massimo 3,3 V attraverso Rc. 3,3 V / 10 kΩ = 330 µA, che è la corrente minima che il transistor deve essere in grado di affondare. Volete qualcosa in più in modo che la linea sia mantenuta saldamente bassa quando dovrebbe essere bassa. Direi almeno che dovrebbe essere in grado di affondare 500 µA, ma userei 1 mA a meno che tu non abbia un motivo particolare per chiuderlo.

Ora che sappiamo che l'uscita deve affondare 1 mA, guardiamo nel foglio dati dell'opto per vedere come dobbiamo guidarlo per ottenere quell'1 mA. Si sta utilizzando la variante "-3" di questa parte, che secondo la prima pagina del foglio dati ha un rapporto di trasferimento di corrente minimo garantito del 100%. Ciò significa che il transistor può assorbire almeno quanta corrente viene immessa attraverso uno dei LED. Tuttavia, notare il piccolo "± 10 mA" sopra le specifiche CTR. Ciò che sta realmente dicendo è che se si inseriscono 10 mA attraverso i LED, il transistor sarà in grado di affondare almeno 10 mA. In realtà non promette nulla in nessun'altra corrente di input.

Guardando più nel foglio dati, troverai ulteriori informazioni nella parte superiore della pagina 3. Qui mostrano effettivamente il CTR per 1 mA in ingresso. Nota che ora è garantito solo per il 34%. Ciò significa che per ottenere la capacità di dissipazione dell'uscita da 1 mA, è necessario pilotare i LED con 1 mA / 34% = 2,9 mA, quindi puntiamo a un minimo assoluto di 3 mA.

Dici che la tensione che deve essere rilevata è di 230 V CA. Poiché questo è un seno, avrà picchi di 325 V. Il segnale di uscita dell'opto sta entrando in un micro, quindi non è necessario che sia un segnale costante quando l'alimentazione è accesa. In effetti, è una buona idea per il micro essere in grado di cavalcare interruzioni e glitch momentanei. Probabilmente terrei un contatore che viene decrementato ogni ms quando il segnale è spento e resettato a qualcosa come 50 quando acceso. Ciò significa che non è necessario vedere alcun segnale per 50 ms per dichiarare che l'alimentazione è disattivata. Tutto ciò che serve è un piccolo blip al picco del ciclo di linea e questo sistema funzionerà bene. Si noti che i picchi del ciclo di linea si verificano ogni 10 ms con una potenza di 50 Hz.

Quindi vediamo dove siamo. Vogliamo avere almeno 3 mA di flusso attraverso i LED quando la tensione di alimentazione è di 325 V. I LED scenderanno fino a 1,65 V (parte superiore della tabella in basso a pagina 2), e questo dovrebbe comunque funzionare alla minima tensione di linea ragionevole . Miriamo a poter rilevare un minimo di 200 V CA, che è un picco di 283 V e 281 V dopo la caduta del LED. 281 V / 3 mA = 94 kΩ. In teoria, questo è tutto ciò che serve in serie con i LED per attivare l'uscita almeno un po 'una volta per picco di potenza.

In pratica è una buona idea aggiungere un po 'di margine. Volete che l'output sia affermato per una frazione finita ragionevole di ciascun semiciclo, non solo per essere garantito per un piccolo blip. Detto questo, dimezzerei approssimativamente la resistenza a 47 kΩ. Ciò accenderà saldamente l'output per tutte le condizioni ragionevoli con un margine significativo.

Potresti pensare che è tutto ciò che devi fare, ma aspetta, c'è di più. Pensa a cosa succederà ad alta tensione di linea, come 240 V. I picchi sono 340 V, che causerebbero 7,2 mA attraverso i LED. Devi controllare la corrente massima consentita del LED, che è 60 mA, quindi va bene. Tuttavia, considerare la dissipazione di potenza nel resistore. Se diciamo peggiore tensione di linea caso è 240 V, allora la potenza di entrare nel resistore (ignorando la caduta di tensione LED) è (240 V) ² /47 kΩ = 1,23 W. Questo dovrebbe essere almeno un "2 W" resistore quindi, e diventerà notevolmente caldo.

Un altro problema è che è necessario considerare la tensione nominale del resistore. Deve essere in grado di resistere ai picchi di 340 V, quindi nel complesso è necessario un resistore da 47 kΩ valutato per 2 W e 400 V. Questi possono essere trovati, ma potrebbe essere più semplice utilizzare diversi resistori in serie. Ciò distribuisce la tensione di picco e la dissipazione di potenza tra i resistori della serie. Quattro resistori da 12 kΩ farebbero questo e dissiperebbero solo 300 mW e vedrebbero 85 V ciascuno. Sarà più facile da trovare e più economico di un singolo resistore, a meno che non si tratti di un prodotto di volume in cui è possibile acquistare oggetti in grandi quantità. Quindi la risposta alla domanda è di mettere in serie quattro resistori da 12 kΩ 1/2 Watt ordinari in serie con i LED.

Nota che questi non devono essere divisi su ciascun lato dell'opto mentre mostri R1 e R2. C'è solo una singola resistenza in serie con i LED da qualche parte. Dato che in questo caso questa resistenza è composta da quattro resistori individuali, puoi dividerli in qualsiasi modo desideri che le cose funzionino meglio meccanicamente sul lato ad alta tensione del circuito. Preferibilmente sarebbero end-to-end per massimizzare il percorso di formazione di pieghe per l'alta tensione e per diffondere il calore.

Tuttavia, non mi piace molto questo accoppiatore ottico per questa applicazione poiché ha un rapporto di trasferimento di corrente così basso, che ci costringe a fornire molta corrente a LED, causando molta energia da consumare nel resistore. Per questo tipo di applicazione in cui è utile un elevato rapporto di trasferimento di corrente e la velocità non conta molto, mi piace il FOD817 economico e disponibile. Le versioni D di questa parte hanno un CTR garantito di 3x a 5 mA. Non dicono esattamente cosa ottieni 1 mA, ma è una scommessa abbastanza sicura che l'uscita può affondare almeno 1 mA con 1 mA in.

Il FOD817 ha un singolo LED, ma è facile da gestire (il FOD814 ha LED back to back, ma è meno disponibile e non è disponibile in alcune delle varianti con guadagno più elevato). Utilizzando lo schema 50 ms sopra descritto, non è un problema se si ottiene un impulso una volta per ciclo di linea, che è ogni 20 ms. Metti un diodo in serie con il LED oltre ai resistori e un resistore di alto valore attraversa il LED per assicurarti che non veda alta tensione inversa a causa di una piccola perdita di diodo. 100 kΩ va bene ed è abbastanza alto da rendere la sua corrente irrilevante rispetto ai nostri altri calcoli. Un altro vantaggio di questo è che non solo si ottiene una minore dissipazione di potenza a causa della necessità di una minore corrente del LED, ma si ottiene anche un altro fattore di due riduzioni di potenza a causa del fatto che il LED viene guidato in una sola direzione.

Quindi ecco la mia risposta finale:

Se stai cercando un CTR molto elevato per questo tipo di applicazione, guarda la serie Liteon LTV-8xxx . 600% min. a 1mA IF.