Перейти к содержанию

Как работает оптопара в блоке питания?

Обновлено Редакция GAW

В импульсном блоке питания с трансформатором выход гальванически отделён от сети, а контроллер ШИМ стоит на первичной стороне. Чтобы он знал выходное напряжение, сигнал ошибки нужно передать через изоляционный барьер — это и делает оптопара: светом, без электрической связи. Изоляция PC817 и 4N35 выдерживает 5 кВ, и Vishay прямо называет обратную связь импульсных блоков питания среди применений 4N35.

Как замкнута петля

  1. Делитель R1/R2 с выхода подаёт на вход REF микросхемы TL431 часть выходного напряжения. TL431 сравнивает её с внутренней опорой 2,495 В:
Uвых=VREF(1+R1R2),VREF=2,495 ВU_{вых} = V_{REF}\left(1 + \frac{R_1}{R_2}\right),\qquad V_{REF} = 2{,}495\ \text{В}
  1. Светодиод оптопары включён последовательно с катодом TL431 через резистор от выхода. Чем выше выход относительно нормы, тем больший ток TL431 тянет через катод — и через светодиод.
  2. Фототранзистор на первичной стороне пропорционально открывается и тянет вниз вход обратной связи контроллера (FB или COMP). Контроллер укорачивает импульсы, и выход снижается; как длительность импульса зависит от этого сигнала, разобрано в ответе о ШИМ-контроллере.
ЭлементЧто делаетЧисла из даташитов
Делитель R1/R2задаёт выходток REF до 4 мкА — делитель на сотни микроампер
TL431усилитель ошибки с опоройVREF 2,495 В ± 1 %, катод от 2,5 до 36 В, 1–100 мА
Резистор светодиодазадаёт ток петлиVF светодиода 1,2–1,4 В, IF до 50 мА
Резистор параллельно светодиодудержит ток TL431 ≥ 1 мА при малом токе светодиодаIKA(MIN) до 0,7 мА
PC817переносит ток на первичную сторонуCTR 50–400 % при 5 мА, VCEO 80 В

Пример для выхода 12 В (наш расчёт): R1 = 9,53 кОм и R2 = 2,49 кОм дают около 12,0 В; при токе светодиода 5 мА на его резисторе падает 12 − 1,2 − 2,5 = 8,3 В — это 1,6 кОм; резистор 1 кОм параллельно светодиоду добавляет катоду 1,2 мА сверх минимума.

Что учитывать

  • Разброс CTR. PC817 выпускают с CTR 50–400 %; ток светодиода и резистор фототранзистора считают на минимум ранга, иначе петля не дотянется до нужного тока на входе контроллера. Ранги — в карточке PC817.
  • Минимальный ток TL431. Ниже 0,7 мА катода микросхема не регулирует, поэтому при малом токе светодиода нужен параллельный резистор (карточка TL431).
  • Устойчивость. Оптопара медленная (полоса PC817 около 80 кГц), и петлю корректируют RC-цепью между катодом и REF; выбор контроллера и компенсации — в разделе о ШИМ-контроллерах, расчёт трансформатора — в калькуляторе.

Первичная сторона соединена с сетью 220 В и остаётся под напряжением, пока не разряжен входной конденсатор: измеряют только на отключённом и разряженном блоке, а работы под напряжением выполняет электрик.

Похожие вопросы

Почему TL431 нельзя заменить стабилитроном?

Можно, но хуже: стабилитрон задаёт лишь порог, а TL431 — усилитель ошибки с опорой 2,495 В и допуском 1 %, который линейно управляет током светодиода. Отсюда и название применения в даташите — «линеаризатор оптопары»: петля получается точной, и её можно корректировать RC-цепью между катодом и входом REF.

Что будет, если оптопара в блоке питания состарится?

CTR упадёт — Sharp закладывает деградацию светодиода на 50 % за 5 лет, — и для того же сигнала потребуется больший ток светодиода. Если запаса по току нет, петля не сможет укоротить импульсы, и выходное напряжение поползёт вверх. Поэтому ток светодиода рассчитывают на минимальный CTR с запасом.

Можно ли ремонтировать цепь обратной связи, не отключая блок от сети?

Нет. Первичная сторона, где стоит фототранзистор, находится под выпрямленным сетевым напряжением и остаётся опасной после выключения, пока не разряжен входной конденсатор. Измерения и замену деталей делают на отключённом и разряженном блоке; работы под напряжением выполняет электрик.

Источники

  1. Diodes Incorporated. TL431/TL432: Adjustable Precision Shunt Regulator (DS35050 Rev. 7-3, June 2021) — Description и Features: выходное напряжение задаётся двумя резисторами делителя от 2,5 до 36 В, ток катода 1–100 мА, применения — Opto-Coupler Linearisers; Electrical Characteristics: VREF 2,470–2,520 В у TL431A (2,495 В тип.) при IKA 10 мА, IREF 1 тип., 4 мкА макс., IKA(MIN) 0,4 тип., 0,7 мА макс.; Recommended Operating Conditions: VKA от VREF до 36 В
  2. Sharp. PC817XxNSZ1B Series: DIP 4pin Photocoupler (Sheet No. OP18002EN, Jan. 15, 2018) — изоляция 5 кВ (ср. кв.), VCEO 80 В, IF до 50 мА, VF 1,2 тип., 1,4 макс. при 20 мА; CTR 50–400 % при IF 5 мА, ранги A–D; рост разброса CTR при IF < 1 мА; деградация светодиода 50 % за 5 лет; fc 80 кГц тип.
  3. Vishay Semiconductors. 4N35-X, 4N36-X, 4N37-X, 4N38 (Document Number 83717, Rev. 1.8, 16-Jan-12) — Applications: Switch mode power supply feedback, AC mains detection; изоляция 5000 В, ёмкость вход–выход 0,5 пФ; CTR не менее 100 % при 10 мА
Страница помогла?

Нашли ошибку? ·

Смотрите также