6 Устройство гальванической развязки на оптроне

Задание. На вход оптрона поступает однополярное прямоугольное напряжение частотой f = 1000 Гц с амплитудным значением U_вх.m. К выходу оптрона подключена нагрузка R_н. Выходная цепь оптрона получает питание от источника постоянного напряжения E_ип. Для заданной схемы устройства гальванической развязки (рис. 18) выбрать по справочнику требуемый тип оптрона и рассчитать величину сопротивления R_вх во входной цепи оптрона.

Основные параметры оптронов сведены в табл. 11 и приведены в справочниках [2, 6, 7, 9]. Напряжение источника питания цепи нагрузки E_ип, амплитуда входного прямоугольного напряжения U_вх.m и сопротивление нагрузки R_н приведены в табл. 12.

1 ) 2)

3) 4)

Таблица 11

№ п/п	Параметр	Обозначение параметра	Единицы измерения
1	Номинальный входной ток	Iвх.ном	А
2	Входное напряжение	Uвх	В
3	Максимально допустимый входной ток	Iвх.max	А
4	Максимально допустимое обратное входное напряжение	Uвх.обр.max	В
5	Максимально допустимая входная мощность	Pвх.max	Вт
6	Максимально допустимый выходной ток	Iвых.max	А
7	Максимально допустимое обратное выходное напряжение	Uвых.обр.max	В
8	Максимально допустимая мощность, рассеиваемая на выходе	Pвых.max	Вт
9	Остаточное напряжение (напряжение насыщения)	Uост (Uнас)	В

Таблица 12

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Схема	1	2	3	4	1	2	3	4	1	2
Uвх.m, В	5	9	12	10	15	7,5	5	4	8	10
Eип, В	12	18	30	15	25	20	30	10	15	20
Rн, Ом	400	280	500	350	400	500	600	450	1000	300
Вариант	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
Схема	3	4	1	2	3	4	1	2	3	4
Uвх.m, В	4	4,5	7,5	10	5	12	15	9	7	6
Eип, В	30	20	15	25	20	10	25	10	30	20
Rн, Ом	300	1000	500	250	300	250	500	350	700	450
Вариант	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
Схема	1	2	3	4	1	2	3	4	1	2
Uвх.m, В	12	5	4,5	9	10	15	12	9	20	10
Eип, В	20	50	10	15	20	10	20	10	30	15
Rн, Ом	300	800	350	450	500	300	430	250	500	330

Методические указания. Перечертить схему устройства гальванической развязки. Проанализировать работу схемы и указать направления протекания токов в схеме. В соответствии с заданными входным напряжением U_вх.m, сопротивлением нагрузки и напряжением питания E_ип выбрать по справочнику [2, 6, 7, 9] полупроводниковый оптрон с учётом коэффициента запаса k_зап = 1,1…1,2 по напряжению и по току. Выписать из справочника основные параметры выбранного оптрона: I_вх.maх (мА); U_вх.пр (В); U_{вх.обр.maх} (В); I_вых.maх (мА); U_вых.maх (В); U_{вых.ост} (В); коэффициент передачи тока k_i. Рассчитать величину ограничительного резистора во входной цепи оптопары R_вх = (U_вх.m  U_вх.пр) /I_вх.

Пример решения задачи. В качестве примера решения задачи рассмотрим схему оптронной развязки на транзисторной оптопаре (рис. 19,а). Исходными данными являются: амплитуда входного прямоугольного напряжения U_вх.m = 5 В, сопротивление нагрузки R_н = 250 Oм и напряжение источника питания выходной цепи E_ип = 20 В. На рис. 19,б приведена схема устройства гальванической развязки с указанием направления токов, протекающих через все элементы и падений напряжения на них.

При поступлении на вход схемы положительного импульса напряжения входной диод смещается в прямом направлении и формирует световой поток, который вводит в насыщение выходной фототранзистор. Пренебрегая падением напряжения на выходном транзисторе оптрона в режиме насыщения (т.е. принимая U_VTвых = 0), найдём максимальное значение тока нагрузки:

.

Принимая коэффициент запаса по напряжению и току k_зап = 1,2, выберем оптрон из условий:

т.е.

Указанным условиям удовлетворяет транзисторная оптопара 3ОТ127А на основе излучающего диода (соединение галлий-алюминий-мышьяк) и кремниевого фототранзистора. Параметрами оптрона: U_вх = 1,6 В; U_{вых.ост} = 1,5 В; U_{вх.обр.max} = 1,5 В; I_вх.max = 20 мА; I_вых.max = 100 мА; U_вх = 1,6 В; U_из = 1000 В; T_к = 85 ^оС.

Рассчитаем минимально необходимую величину ограничительного резистора во входной цепи оптрона:

,

тогда с учётом небольшого запаса по току из ряда сопротивлений E24 выберем резистор номиналом R_вх = 200 (Ом), что обеспечит защиту входного диода оптопары при отклонениях входного напряжения u_вх от номинального значения.