Перейти к содержанию

Оптопары: устройство, коэффициент передачи и расчёт

Оптопара передаёт сигнал светом между цепями, у которых нет общего провода. Разбираем, какие бывают оптопары, что такое коэффициент передачи тока и почему его берут с запасом, как рассчитать резисторы, от чего зависит скорость и что означают цифры изоляции в даташите.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Оптопара (оптрон) — светодиод и фотоприёмник в одном корпусе. Ток через светодиод на входе превращается в свет, свет открывает приёмник на выходе. Электрически вход и выход не связаны: их разделяет прозрачный изолятор, и между цепями может быть разность потенциалов в сотни и тысячи вольт. Поэтому оптопары ставят там, где нужно передать сигнал между цепями без общего провода: из сети 230 В в низковольтную схему, между блоками с разными «землями», в обратную связь импульсного блока питания.

Коротко

Главный параметр
CTR = IC / IF · 100 %
4N35: CTR
от 100 % при 10 мА, от 40 % при −55…+100 °C
Запас на старение
около 20 % за 10 лет (Vishay)
4N35: переключение
tвкл и tвыкл по 10 мкс тип.
6N137
10 Мбод, задержка до 100 нс
Изоляция 4N35
5000 В ср. кв. в течение 1 с

Какие бывают оптопары

На входе почти всегда инфракрасный светодиод, а выходы различаются (Vishay, ответы на частые вопросы):

ВыходКак работаетГде применяют
Фототранзисторсвет создаёт ток базы, транзистор усиливает егологические сигналы до десятков кбит/с, обратная связь блоков питания, детекторы сети
Составной транзистор (Дарлингтон)два транзистора, больше усиление и меньше скоростьмалые токи светодиода
Фотодиод с усилителем и логическим выходомбыстрый фотодиод, усилитель и компаратор в корпусецифровые интерфейсы и шины на скоростях до 10 Мбод
Фотосимисторсвет открывает симисторкоммутация сети 230 В, управление силовым симистором
MOSFET (твердотельное реле)свет управляет выходными MOSFETкоммутация нагрузки без механических контактов

Бывают и оптопары со входом переменного тока: два светодиода включены встречно-параллельно, и выход срабатывает при любой полярности (Vishay AN02). Их используют для обнаружения сетевого напряжения или вызывного сигнала телефонной линии без диодного моста.

Коэффициент передачи тока

Свойства оптопары с транзисторным выходом описывает коэффициент передачи тока — отношение тока коллектора к току светодиода (Vishay AN45, уравнение 1):

CTR=ICIF⋅100 %.CTR = \frac{I_C}{I_F} \cdot 100\ \%.

CTR сильно различается от экземпляра к экземпляру, поэтому оптопары сортируют по группам. У Vishay VO617A без суффикса CTR от 50 до 600 %, а с суффиксом группы — в узком окне (AN04, таблица 1):

ГруппаCTR, %
VO617A-140–80
VO617A-263–125
VO617A-780–160
VO617A-3100–200
VO617A-8130–260
VO617A-4160–320
VO617A-9200–400

CTR — не константа. Он зависит от тока светодиода, напряжения на транзисторе и температуры, и в даташите эти зависимости даны графиками нормированного CTR (NCTR) — отношения к значению при опорных условиях. Графиков обычно два: для ненасыщенного режима (VCE = 5 или 10 В, транзистор работает как усилитель) и для насыщенного (VCE = 0,4 В, транзистор работает ключом). В ключевом режиме CTR меньше. У 4N35 гарантированный CTR при 10 мА и VCE = 10 В — не меньше 100 %, но в диапазоне −55…+100 °C — уже не меньше 40 %.

Ещё одна причина запаса — старение светодиода: его яркость медленно падает, и тем быстрее, чем больше ток и температура (Vishay, частые вопросы, п. 11). В примерах AN45 и AN02 Vishay закладывает около 20 % снижения CTR за 10 лет и ещё 25 % на разброс:

CTRрасч=CTRmin⋅NCTR⋅0,8⋅0,75.CTR_{расч} = CTR_{min} \cdot NCTR \cdot 0{,}8 \cdot 0{,}75.

Расчёт: оптопара между двумя микроконтроллерами

Типичная схема — фототранзистор замыкает вход приёмника на общий провод второй цепи, а резистор RL подтягивает вход к её питанию. Светодиод горит — на входе низкий уровень, погас — высокий. Сигнал при этом инвертируется.

Оптопара с транзисторным выходом между двумя микроконтроллерамиВыход первого микроконтроллера через резистор RV питает светодиод оптопары, катод светодиода соединён с общим проводом первой схемы. Свет светодиода открывает фототранзистор. Его коллектор подтянут резистором RL к питанию второй схемы и соединён со входом второго микроконтроллера, эмиттер — с общим проводом второй схемы. Между светодиодом и фототранзистором проходит изоляционный барьер: общие провода двух схем не соединены.оптопараизоляционный барьерМК 1выходRVIF →общий 1IC ←+ питание 2RLМК 2входобщий 2VT

Расчёт идёт в три шага.

1. CTR для расчёта. В примере 2 AN45 оптопара VOL617A-3 (CTR не меньше 100 % при 5 мА) работает при температуре до 75 °C и токе светодиода 7 мА. По графику насыщенного режима NCTR при этих условиях — 0,71, с запасами на старение и разброс CTR = 100 % · 0,71 · 0,8 · 0,75 = 42,6 %. От 7 мА через светодиод можно рассчитывать лишь на 7 · 0,426 ≈ 3 мА тока коллектора.

2. Резистор нагрузки. Чтобы транзистор при горящем светодиоде вошёл в насыщение, ток через RL должен быть не больше гарантированного тока коллектора:

RL≥Uпит2−UCE(sat)IF⋅CTRрасч=5−0,47 мА⋅0,426=1,54 кОм.R_L \ge \frac{U_{пит2} - U_{CE(sat)}}{I_F \cdot CTR_{расч}} = \frac{5 - 0{,}4}{7\ мА \cdot 0{,}426} = 1{,}54\ кОм.

Напряжение насыщения у оптопар Vishay — 0,25 В типовое и до 0,4 В максимум. Если вход приёмника сам отдаёт ток при низком уровне (вход TTL — до 1,6 мА), его вычитают из тока коллектора. Верхнюю границу RL задают темновой ток фототранзистора и входной ток приёмника при высоком уровне: на RL от них падает напряжение, и высокий уровень не должен опуститься ниже порога VIH. В примере 2 AN02 для входа TTL это 74,6 кОм.

3. Резистор светодиода. Если светодиод включён между питанием 5 В и выходом логики, резистор равен (Uпит − VF − VOL) / IF. В примере 1 AN02 при VF = 1,2 В, VOL = 0,4 В и токе 12,3 мА получается 276 Ом, выбран ближайший меньший — 270 Ом.

Все три шага делает калькулятор оптопары:

Исходные данные

Вход: светодиод

В

от него светодиод получает ток

В

VOL выхода при этом токе

В

VF из даташита оптопары

мА

не больше предельного IF

Коэффициент передачи

%

по таблице CTR даташита

по графику NCTR при вашем токе и худшей температуре

%

Vishay: около 20 % за 10 лет

%

Vishay: около 25 %

Выход: фототранзистор и вход приёмника

В
В

0,4 В по даташиту

мА

TTL — 1,6, КМОП — 0

В

необязательно: для верхней границы RL

мкА

TTL — 40

мкА

при наибольшей температуре

Результат

Резистор нагрузки RL
от 1,6 кОм
расчёт — не меньше 1,543 кОм; ближайший больший из ряда E24
Резистор светодиода RV
470 Омрасчёт 486 Ом, с E24 ток 7,23 мА
CTR для расчёта
42,6 %минимальный · NCTR · старение · разброс
Гарантированный ток коллектора
2,98 мАпри IF 7 мА

Чем больше RL, тем медленнее выключается фототранзистор: берите значение ближе к нижней границе, если важна скорость.

Скорость переключения

Обычная оптопара с фототранзистором — медленный прибор. У 4N35 типовые времена включения и выключения — по 10 мкс при токе коллектора 2 мА и нагрузке 100 Ом. Светодиод тут почти ни при чём: его задержка меньше 100 нс (Vishay AN41). Скорость ограничивает фототранзистор: чтобы собирать больше света, у него большая площадь базы, а значит большая ёмкость перехода коллектор–база, и в насыщении в базе накапливается заряд, который рассасывается медленно.

От чего зависит скорость, по AN41 в порядке важности: резистор нагрузки, ток светодиода, усиление фототранзистора, ёмкость перехода и схема включения (с общим эмиттером ёмкость усиливается эффектом Миллера). Отсюда практические правила:

  • Небольшой резистор нагрузки. Чем меньше RL, тем быстрее выключение. Его берут ближе к нижней границе расчёта.
  • CTR с умом. Оптопары с большим CTR быстрее включаются, но медленнее выключаются: в насыщенном транзисторе больше заряда (AN04). Для одинаковых фронтов Vishay советует группы с меньшим CTR и узким диапазоном.
  • Вывод базы. У шестивыводных оптопар вроде 4N35 база выведена наружу. Резистор между базой и эмиттером даёт заряду путь и ускоряет выключение ценой части CTR.

В примерах AN02 оптопара на вход TTL с резистором в цепи эмиттера (390 Ом) передаёт сигнал со скоростью около 100 кбит/с, а с резистором в цепи коллектора 5,1 кОм — только около 28 кбит/с. Для UART на 115 200 бит/с этого уже мало.

Быстрые оптопары: 6N137

Быстродействующие оптопары устроены иначе: свет принимает фотодиод, его ток усиливает трансимпедансный усилитель, а компаратор и выходной каскад формируют логический сигнал (Vishay AN71). Типичный представитель — 6N137 со скоростью 10 Мбод.

Параметр 6N137 (Vishay, док. 84732)Значение
Питание VCC4,5–5,5 В, конденсатор 0,1 мкФ между выводами 8 и 5
Ток светодиода при «включено» IFH5–15 мА (порог срабатывания до 5 мА)
Выходоткрытый сток, нагрузка RL 330–4000 Ом
Задержки tPLH, tPHL50 и 40 нс тип., до 100 нс
Подавление синфазной помехи CMR1 кВ/мкс у 6N137, 5 кВ/мкс у VO2601, 15 кВ/мкс у VO2611
Вход разрешения VE (вывод 7)низкий уровень запирает выход, неподключённый вход — разрешено

Выход 6N137 — открытый сток: при горящем светодиоде на выходе низкий уровень, при погашенном его подтягивает резистор RL. Задержка зависит от тока светодиода, нагрузки и температуры: в измерениях AN71 при нагрузке 1 кОм она растёт от 39,5 нс при 3 мА до 84,6 нс при 18 мА, а при 7,5 мА — от 62,2 нс при −20 °C до 83,4 нс при +100 °C.

У оптопар Vishay на 10 Мбод между светодиодом и приёмником есть прозрачный проводящий экран. Он снижает влияние быстрых синфазных скачков напряжения между сторонами — именно их описывает параметр CMR в кВ/мкс. Если схема рядом с силовыми ключами, где напряжение меняется на киловольты за микросекунду, нужна оптопара с большим CMR.

Фотосимисторы

В фотосимисторе свет включает симистор — прибор, который проводит ток в обе стороны и сам выключается, когда ток через него проходит через ноль. Его используют как ключ переменного тока или как драйвер мощного симистора, рассчитанного на ток нагрузки (Vishay AN34).

Фотосимисторы бывают двух видов:

  • Без перехода через ноль — включаются в любой момент полупериода. Нужны для фазового регулирования: диммеров, управления скоростью двигателей. Резкое включение в середине полупериода создаёт крутые фронты тока и радиопомехи.
  • С переходом через ноль — встроенная схема разрешает включение только вблизи нуля сетевого напряжения: у VO4154 и VO4156 — пока напряжение на выходе не больше 20 В. Помех меньше, но такие фотосимисторы подходят там, где управление медленное: для нагревателей, соленоидов, контакторов.
Параметр VO4154 / VO4156Значение
Ток срабатывания светодиода IFTне более 1,6, 2 или 3 мА по группам D, H, M
Напряжение в закрытом состоянии VDRM400 В (VO4154), 600 В (VO4156)
Ток в открытом состояниидо 300 мА (ср. кв.)
Скорость нарастания напряжения dV/dtне менее 5 кВ/мкс
Изоляция4420 В (ср. кв.) в течение 1 мин

Ток IFT — минимальный, при котором выход гарантированно включается; в схеме ток светодиода берут больше, с запасом на температуру и старение. Время включения тоже зависит от тока светодиода: чем он меньше и чем выше температура, тем больше задержка (AN34, рис. 1).

Изоляция

Ради изоляции оптопару и ставят, поэтому цифры в разделе «изоляция» даташита важнее, чем кажется. Vishay определяет их так (частые вопросы, AN42):

  • VISO — испытательное напряжение между входом и выходом. У 4N35 — 5000 В (ср. кв.) в течение 1 с. Это напряжение проверки, а не рабочее.
  • VIORM — наибольшее повторяющееся пиковое рабочее напряжение, которое изоляция выдерживает весь срок службы. VIOWM — то же в среднеквадратическом значении.
  • VIOTM — импульсное напряжение, которое изоляция выдерживает при аварийном перенапряжении.
  • Путь утечки — кратчайшее расстояние между выводами входа и выхода по поверхности корпуса, зазор — по воздуху, толщина изоляции — внутри корпуса. У 4N35 путь утечки и зазор не меньше 7 мм, толщина изоляции — 0,4 мм.

По стандарту DIN EN 60747-5-5 каждую оптопару проверяют на частичные разряды напряжением в 1,875 раза больше VIORM: разряд не должен превышать 5 пКл (AN42). Изоляция между опасным напряжением сети и цепью, которой касается человек, должна быть усиленной, а между сетью и цепью, недоступной для касания, достаточно основной. Нужный уровень и расстояния определяет стандарт на конечное устройство, а не даташит оптопары.

Расстояния корпуса не помогут, если их съест печатная плата: дорожки входа и выхода нельзя сводить под корпусом ближе, чем позволяет требуемый путь утечки. Если места мало, под оптопарой прорезают щель в плате — путь утечки по поверхности тогда заменяется зазором по воздуху (Vishay AN71).

Типичные ошибки

  • Расчёт по типовому CTR. Схема работает на столе и отказывает в жару или через пару лет. Берите минимальный CTR группы, поправку на температуру по графику и запасы на старение и разброс.
  • Слишком большой резистор нагрузки. Выход переключается медленно и «заваливает» фронты. Если нужна скорость, уменьшайте RL и увеличивайте ток светодиода или переходите на быструю оптопару.
  • Висящий вывод базы. У шестивыводных оптопар неподключённая база ловит помехи. Если она не нужна, соедините её с общим проводом выхода резистором большого сопротивления.
  • Общий провод обеих сторон. Если «земли» входа и выхода соединены где-то ещё в схеме, оптопара перестаёт изолировать — она только передаёт сигнал.
  • Без запаса по току светодиода у фотосимистора. Ток на уровне IFT не гарантирует включения в жару и через годы работы. Задавайте ток с запасом, но в пределах допустимого.

Частые вопросы

Чем оптопара отличается от оптрона?

Ничем: это два названия одного прибора. В англоязычных даташитах встречаются optocoupler и optoisolator, в русской литературе — оптопара и оптрон.

Можно ли подключить оптопару напрямую к выводу Arduino?

Да, но только через резистор, ограничивающий ток светодиода. Его считают так же, как для обычного светодиода: (напряжение питания − прямое напряжение − падение на выходе) / ток. Для 4N35 при 10 мА и прямом напряжении 1,2 В от 5 В получается около 340–380 Ом в зависимости от падения на выводе.

Почему оптопара работает на столе, а в устройстве со временем перестаёт?

Скорее всего, расчёт сделан по типовому или минимальному CTR без запаса. При нагреве, старении светодиода и разбросе экземпляров ток коллектора падает, и транзистор перестаёт входить в насыщение. Vishay закладывает около 20 % на старение за 10 лет и 25 % на разброс плюс поправку на температуру по графикам даташита.

Какую оптопару взять для UART или RS-485?

Для скоростей до нескольких десятков килобит в секунду хватает обычной оптопары с фототранзистором при небольшом резисторе нагрузки. Для 115 200 бит/с и выше берут быстродействующие оптопары с логическим выходом вроде 6N137: у неё задержка до 100 нс и скорость до 10 Мбод.

Нужно ли подключать вывод базы у 4N35?

Не обязательно. Через вывод базы можно ускорить выключение, подключив резистор к эмиттеру. Если вывод не используется, Vishay советует не оставлять его висящим, а соединить с общим проводом выхода через резистор большого сопротивления: иначе на высокоомную базу наводятся помехи.

Источники

  1. Vishay. Transistor Output Optocouplers: Frequently Asked Questions (doc. 84360, Rev. 1.0, 2016) — виды выходов, CTR и группы CTR, VCE(sat) 0,25 В тип. и 0,4 В макс., вывод базы и резистор к общему проводу, срок службы, VISO, VIORM, VIOTM, путь утечки, зазор, толщина изоляции, основная и усиленная изоляция
  2. Vishay. Application Note 45: How to Use Optocoupler Normalized Curves (doc. 83706, Rev. 1.6, 2021) — уравнения 1–6, нормированные кривые CTR, примеры 1 и 2 для VOL617A-3
  3. Vishay. Application Note 02: Application Examples (doc. 83741, Rev. 1.4, 2011) — сопряжение с TTL с резистором в эмиттере и в коллекторе, расчёт RL и RV, скорость 100 кбит/с и 28 кбит/с, оптопары со входом переменного тока
  4. Vishay. Application Note 04: Impact of the Current Transfer Ratio on Switching Times in Optocouplers With Transistor Output (doc. 80579, 2025) — таблица 1 — группы CTR VO617A; рис. 1 и 2 — время включения и выключения в зависимости от CTR и температуры
  5. Vishay. Application Note 41: Faster Switching from Standard Couplers (doc. 83590, Rev. 1.6, 2012) — факторы скорости: резистор нагрузки, ток светодиода, усиление фототранзистора, ёмкость перехода, эффект Миллера; задержка светодиода — менее 100 нс
  6. Vishay. Application Note 71: 10 MBd High-Speed Optocoupler Design Guide (doc. 83747, Rev. 1.4, 2014) — фотодиод с трансимпедансным усилителем, экран ITO, бод и биты, задержка 39,5–84,6 нс в зависимости от тока, конденсатор 0,1 мкФ, прорезь в плате для пути утечки
  7. Vishay. 6N137, VO2601, VO2611: High Speed Optocoupler, 10 MBd (doc. 84732, Rev. 2.3, 2024) — выводы, предельные режимы, рекомендуемые режимы (VCC 4,5–5,5 В, IF 5–15 мА, RL 330–4000 Ом), таблица истинности входа разрешения, задержки 25–100 нс, CMR 1, 5 и 15 кВ/мкс
  8. Vishay. 4N35-X, 4N36-X, 4N37-X, 4N38: Optocoupler, Phototransistor Output, with Base Connection (doc. 83717, Rev. 1.8, 2012) — VISO 5000 В (ср. кв.), путь утечки и зазор 7 мм, толщина изоляции 0,4 мм, предельные режимы, CTR, ICEO, время переключения
  9. Vishay. Application Note 34: Phototriac Basics (doc. 84780, 2018) — фотосимисторы с переходом через ноль и без него, помехи при включении в произвольной фазе, управление силовым симистором
  10. Vishay. VO4154, VO4156: Optocoupler, Phototriac Output, Zero Crossing (doc. 84797, Rev. 2.2, 2023) — IFT 1,6, 2 и 3 мА, VDRM 400 и 600 В, ток 300 мА, dV/dt не менее 5 кВ/мкс, порог запрета включения 20 В
  11. Vishay. Application Note 42: Optocouplers in Switching Power Supplies (doc. 80065, Rev. 1.7, 2011) — усиленная и основная изоляция, VIOWM, VIORM, VIOTM, испытание частичными разрядами при 1,875 · VIORM

Нашли ошибку?

Смотрите также