Перейти к содержанию

Как работает транзисторная оптопара?

Обновлено Редакция GAW

Транзисторная оптопара — это инфракрасный светодиод и кремниевый фототранзистор в одном корпусе, разделённые прозрачным изолятором. Ток через светодиод создаёт свет, свет рождает ток в базовой области транзистора, и транзистор открывается — тем сильнее, чем ярче светодиод. Между входом и выходом нет гальванической связи: у 4N35 и PC817 изоляция выдерживает 5 кВ, а ёмкость между сторонами у 4N35 всего 0,5 пФ.

Что задаёт ток на выходе

Главный параметр — коэффициент передачи по току, CTR:

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

У 4N35 CTR не меньше 100 % при токе светодиода 10 мА, то есть выход пропускает не меньше 10 мА; у PC817 при 5 мА на входе выход даёт от 2,5 до 30 мА — CTR от 50 до 400 %. Отсюда правило расчёта: ток светодиода выбирают по минимальному CTR, а резистор нагрузки — так, чтобы при этом минимуме фототранзистор гарантированно открылся до насыщения. Ток светодиода при этом ограничен сверху: 60 мА у 4N35, 50 мА у PC817, а падение на нём 1,2–1,5 В.

Параметр4N35 (Vishay)PC817 (Sharp)
CTR≥ 100 % при IF 10 мА50–400 % при IF 5 мА
IC максимальный50 мА50 мА
Напряжение выхода (BVCEO)≥ 30 В≥ 80 В
VCE(sat)0,25 В тип., до 0,4 В (по FAQ Vishay)0,1 В тип., 0,2 В макс. при IF 20 мА, IC 1 мА
Утечка ICEO≤ 50 нА при 25 °C, до 500 мкА при 100 °C≤ 100 нА
Скоростьton, toff 10 мкс тип.tr, tf ≤ 18 мкс; fc ≈ 80 кГц
Изоляция5000 В5000 В

Что ограничивает

  • Скорость. Фототранзистор переключается медленно, потому что большая базовая область медленно отдаёт заряд: единицы–десятки микросекунд, полоса PC817 около 80 кГц. У 4N35 выведена база — резистор с неё на эмиттер ускоряет выключение ценой чувствительности.
  • Температура. CTR падает с нагревом: у 4N35 во всём диапазоне −55…+100 °C гарантировано лишь 40 % вместо 100 %, а утечка при 100 °C растёт до 500 мкА.
  • Старение. Sharp закладывает в расчёт деградацию светодиода на 50 % за 5 лет, поэтому запас по току светодиода нужен с самого начала.

Расчёт резистора светодиода и нагрузки под конкретные CTR и ток делает калькулятор оптопары; цоколёвка, ранги и типичные схемы — в карточках 4N35 и PC817, а семейства с фотодиодом, симистором и цифровые изоляторы сравнивает обзор оптопар.

Похожие вопросы

Зачем оптопаре нужен резистор на выходе?

Фототранзистор — источник тока, пропорционального току светодиода, а напряжение на выходе создаёт резистор нагрузки: при IC 2 мА и 100 Ом это 0,2 В, при 10 кОм — 20 В, если позволяет питание. Чем больше резистор, тем выше чувствительность и тем медленнее переключение: времена 4N35 и PC817 нормированы при 100 Ом.

Почему CTR одной и той же оптопары такой разный?

Разброс технологии: PC817 выпускают с CTR от 50 до 400 % и сортируют по рангам — A, B, C, D — с узкими диапазонами, а 4N35 нормируют только по нижней границе 100 %. Схему рассчитывают на минимум, а при токе светодиода ниже 1 мА Sharp предупреждает о дополнительном разбросе.

Можно ли передать через транзисторную оптопару сигнал 1 МГц?

Нет: у PC817 частота среза около 80 кГц, а фронты до 18 мкс; у 4N35 типовые времена включения и выключения 10 мкс. Для мегагерцовых сигналов берут быстродействующие оптопары с фотодиодом и усилителем или цифровые изоляторы.

Источники

  1. Vishay Semiconductors. 4N35-X, 4N36-X, 4N37-X, 4N38: Optocoupler, Phototransistor Output, with Base Connection (Document Number 83717, Rev. 1.8, 16-Jan-12) — Description: арсенид-галлиевый ИК-светодиод и кремниевый NPN-фототранзистор, изоляция 5000 В (ср. кв.); VF 1,2 тип., 1,5 макс. при 10 мА; IF до 60 мА, IC до 50 мА; CTR не менее 100 % при IF 10 мА и VCE 10 В у 4N35–4N37, не менее 40 % при −55…+100 °C; BVCEO не менее 30 В; ICEO 5 тип., 50 нА макс. при 10 В, до 500 мкА при 100 °C; ton и toff 10 мкс тип. (столбец Typ.) при VCC 5 В, IC 2 мА, RL 100 Ом; CIO 0,5 пФ; применения — обратная связь импульсных БП, детектор сети
  2. Sharp. PC817XxNSZ1B Series: DIP 4pin Photocoupler (Sheet No. OP18002EN, Jan. 15, 2018) — CTR 50–400 % при IF 5 мА; IC 2,5–30 мА при IF 5 мА и VCE 5 В; VF 1,2 тип., 1,4 макс. при 20 мА; IF до 50 мА; VCE(sat) 0,1 тип., 0,2 макс. при IF 20 мА и IC 1 мА; ICEO до 100 нА; tr 4 тип., 18 мкс макс., tf 3 тип., 18 мкс макс. при VCE 2 В, IC 2 мА, RL 100 Ом; fc 80 кГц тип.; Viso 5 кВ; рост разброса CTR при IF < 1 мА; деградация светодиода 50 % за 5 лет
  3. Vishay. Transistor Output Optocouplers: Frequently Asked Questions (Document Number 84360, Rev. 1.0) — в. 4 — CTR как отношение тока выхода к току входа; в. 7 — напряжение насыщения обычно 0,25 В, до 0,4 В; в. 8 — вывод базы ускоряет выключение, но ловит наводки
Страница помогла?

Нашли ошибку? ·

Смотрите также