Гальваническая развязка на оптопаре: выход и вход микроконтроллера

Оптопара передаёт сигнал светом, и общие провода двух схем можно не соединять. Чтобы развязка работала через десять лет и на жаре, ток светодиода и подтяжку считают по минимальному CTR с поправками, а не по типичному. Разбираем две схемы на Vishay VO617A-3: связь двух микроконтроллеров на 3,3 В и изолированный вход 24 В.

Обновлено 22 октября 2026 г.Редакция GAW

Содержание

Схема между двумя микроконтроллерами
Расчёт
Скорость и подтяжка
Изолированный вход 24 В
Оптопара 4N35
Детали
Почему не работает

Оптопара — светодиод и фототранзистор в одном корпусе, разделённые прозрачным изолирующим слоем. Ток через светодиод открывает фототранзистор, а электрической связи между ними нет: VO617A выдерживает между входом и выходом 5300 В (эфф.) (Vishay 83430). Поэтому оптопара разрывает земляную петлю между двумя устройствами, пропускает сигнал с 24-вольтовой линии в схему на 3,3 В и отделяет сетевую часть от низковольтной. Как устроены разные оптопары и чем они различаются — в статье «Оптопары».

Коротко

Оптопара: Vishay VO617A-3, DIP-4
CTR группы -3: 100–200 % при IF 5 мА, VCE 5 В
Изоляция: 5300 В (эфф.)
Пример: ток светодиода: 5,2 мА через 240 Ом от 3,3 В
CTR для расчёта: 45 % (70 °C, 10 лет, разброс)
Подтяжка выхода: от 1,3 кОм, в схеме 1,5 кОм

Схема между двумя микроконтроллерами

Светодиод оптопары U1 включён между плюсом 3,3 В первой схемы и её выводом: ноль на выводе зажигает светодиод. Так вывод работает на втекающий ток, а логика инверсная — 0 на выходе первого микроконтроллера даёт 0 на входе второго. Фототранзистор подтянут резистором R2 к питанию второй схемы: пока светодиод погашен, на входе единица; когда светит — транзистор притягивает вход к нулю. Общие провода двух схем не соединены — в этом и смысл развязки.

Расчёт

Пример: оба микроконтроллера — STM32F103 на 3,3 В, оптопара VO617A-3, температура внутри корпуса до 70 °C.

Ток светодиода. VO617A нормирован при IF = 5 мА (таблица Current Transfer Ratio), этот ток и берём.
Резистор светодиода. Вывод STM32F103 при втекающем токе до 8 мА держит не больше 0,4 В (DS5319, табл. 37). Прямое напряжение светодиода берём наибольшее из даташита — 1,65 В; оно указано при 60 мА, при 5 мА напряжение меньше (рис. 5), так что ток получится не ниже расчётного:

R_1 = \frac{3{,}3 - 1{,}65 - 0{,}4}{5\ \text{мА}} = 250\ \text{Ом},

ближайший меньший из ряда E24 — 240 Ом, с ним I_F ≥ 5,2 мА.

Даже при нулевых VF и VOL ток не превысил бы 3,3 В / 240 Ом = 13,8 мА — меньше предельных 60 мА светодиода и 25 мА вывода (DS5319, табл. 7).

CTR для расчёта. Минимальный CTR группы -3 — 100 %, но он указан при 25 °C и VCE = 5 В. В насыщении (VCE = 0,4 В) при 70 °C нормированный CTR на графике рис. 10 даташита — около 0,75; столько же получается в примере 1 из Vishay AN45. На старение светодиода за десять лет AN45 закладывает 20 %, на разброс — ещё 25 %:

CTR = 100\,\% \cdot 0{,}75 \cdot 0{,}8 \cdot 0{,}75 = 45\,\%,

I_C \ge 5\ \text{мА} \cdot 0{,}45 = 2{,}25\ \text{мА}.

Подтяжка R2. Чтобы транзистор вошёл в насыщение и на входе был ноль не выше 0,4 В, ток, который требует подтяжка, должен быть меньше гарантированного (AN45, уравнения 2 и 6):

R_2 \ge \frac{3{,}3 - 0{,}4}{2{,}25\ \text{мА}} = 1{,}29\ \text{кОм}.

Берём 1,5 кОм. Ноль 0,4 В заметно ниже порога STM32F103 — 0,35·VDD = 1,16 В (DS5319, табл. 36).

Верхняя граница R2. Когда светодиод погашен, на R2 падают ток утечки фототранзистора (у VO617A-3 до 100 нА при 25 °C) и ток утечки входа (до 1 мкА). Чтобы единица осталась выше 0,65·VDD = 2,15 В, при 25 °C R2 может быть до мегаома. С нагревом утечка фототранзистора быстро растёт — на рис. 7 даташита на порядки между 25 и 100 °C; даже если заложить на 70 °C несколько микроампер, граница остаётся в сотнях килоом (при 3 мкА — (3,3 − 2,15) В / 4 мкА ≈ 290 кОм). Ограничение здесь не утечка, а скорость.

Калькулятор открыт с этим примером:

Исходные данные

Вход: светодиод

Питание драйвера

от него светодиод получает ток

Низкий уровень драйвера

VOL выхода при этом токе

Прямое напряжение светодиода

VF из даташита оптопары

Ток светодиода

мА

не больше предельного IF

Коэффициент передачи

Минимальный CTR группы

по таблице CTR даташита

Нормированный CTR

по графику NCTR при вашем токе и худшей температуре

Запас на старение

Vishay: около 20 % за 10 лет

Запас на разброс

Vishay: около 25 %

Выход: фототранзистор и вход приёмника

Питание выхода

VCE(sat)

0,4 В по даташиту

Входной ток при низком

мА

TTL — 1,6, КМОП — 0

Порог высокого VIH

необязательно: для верхней границы RL

Входной ток при высоком

мкА

TTL — 40

Темновой ток ICEO

мкА

при наибольшей температуре

Результат

Резистор нагрузки RL: от 1,3 кОм; расчёт — не меньше 1,289 кОм; ближайший больший из ряда E24
RL не больше: 1,05 МОмчтобы утечки не опустили высокий уровень ниже VIH
Резистор светодиода RV: 240 Омрасчёт 250 Ом, с E24 ток 5,21 мА
CTR для расчёта: 45 %минимальный · NCTR · старение · разброс
Гарантированный ток коллектора: 2,25 мАпри IF 5 мА

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

Тот же расчёт для своих деталей — в калькуляторе оптопары. Ток светодиода, CTR и нормированные кривые берите из даташита своей оптопары: для PC817 и других оптопар с транзисторным выходом расчёт тот же, а числа — их собственные.

Скорость и подтяжка

Фототранзистор переключается медленно, и подтяжка на скорость влияет напрямую. В насыщении VO617A типично включается за 6 мкс и выключается за 25 мкс (таблица Switching Characteristics). Время выключения растёт с сопротивлением нагрузки: на рис. 16 даташита (IF 2 мА, VCE 5 В; значения сняты с логарифмического графика, ориентировочно) это порядка 20 мкс при 2 кОм и около 70 мкс при 10 кОм, а время включения почти не меняется. Поэтому подтяжку берут ближе к нижней границе из расчёта, а не «с запасом» в десятки килоом.

Vishay в AN04 добавляет ещё две зависимости. Оптопары с большим CTR включаются быстрее, но выключаются медленнее: в насыщенном транзисторе накапливается больше заряда. И с нагревом время выключения заметно растёт. Если важна повторяемость задержек, берут узкую группу CTR, а если нужны гарантированные времена — быструю оптопару с логическим выходом.

Итог для VO617A: кнопки, концевые выключатели, сигналы датчиков, ШИМ до единиц килогерц. UART на 115 200 бод с битом 8,7 мкс через неё не пройдёт.

Изолированный вход 24 В

Та же оптопара принимает сигнал 24 В — например, от промышленного датчика. Выход остаётся прежним: R2 = 1,5 кОм к 3,3 В. Но у входа два порога, и считать надо оба: при каком напряжении вход гарантированно включён и при каком гарантированно выключен.

Почему нужен шунт R3. Без него ток светодиода — весь входной ток. Экземпляр с наибольшим CTR (200 % у группы -3) притягивает вход STM32F103 ниже порога 1,16 В уже при коллекторном токе (3,3 − 1,16) В / 1,5 кОм = 1,43 мА, то есть при токе светодиода около миллиампера. С одним последовательным резистором 3,3 кОм это входное напряжение в 4–5 В. Тогда ток утечки двухпроводного датчика в выключенном состоянии или наводка на длинной линии читаются как «включено». Резистор R3 параллельно светодиоду отбирает на себя небольшой входной ток: пока напряжение на нём меньше прямого напряжения светодиода, светодиод почти не проводит.

Порог «выключено». По рис. 5 даташита при 0,8 В на светодиоде ток через него не больше 0,1 мА даже при 110 °C, а при меньших температурах — ещё меньше. При таком токе нормированный CTR — около 0,1 (рис. 13), и коллекторный ток даже у лучшего экземпляра — сотые доли миллиампера, далеко от 1,43 мА. Напряжение 0,8 В на R3 = 470 Ом получается при входном токе 0,8 В / 470 Ом = 1,7 мА и входном напряжении

U_\text{выкл} = 0{,}8 \cdot \frac{R_1 + R_3}{R_3},

U_\text{выкл} = 0{,}8 \cdot \frac{2{,}2 + 0{,}47}{0{,}47} \approx 4{,}5\ \text{В}.

До 4,5 В и до 1,7 мА входного тока вход гарантированно читается как «выключено».

Порог «включено». Пока светодиод светит, на R3 — его прямое напряжение, не больше 1,65 В, и шунт забирает до 1,65 В / 470 Ом = 3,5 мА. Светодиоду нужно 4,3 мА (гарантированный ноль требует 1,93 мА коллекторного тока при CTR 45 %), значит через R1 должно идти 7,8 мА (ток в миллиамперах, сопротивление в килоомах):

U_\text{вкл} = 1{,}65 + 7{,}8 \cdot 2{,}2 \approx 18{,}8\ \text{В}

При 24 В ток светодиода не меньше (24 − 1,65) / 2,2 кОм − 3,5 мА = 6,6 мА. Расчёт не учитывает небольшого спада CTR при токах ниже 5 мА (рис. 13).

Между порогами — от 4,5 до 18,8 В — состояние входа не определено: у одного экземпляра он уже включён, у другого ещё нет. Гистерезиса у такой схемы нет. Порог «выключено» поднимают, уменьшая R3 или добавляя последовательно стабилитрон: тогда светодиод не получает тока, пока входное напряжение не превысит напряжение стабилизации.
Мощность. При 24 В и наименьшем VF = 1,0 В в R1 рассеивается не больше (24 − 1,0)² / 2,2 кОм ≈ 0,24 Вт — резистор на 0,5 Вт. В R3 — не больше 1,65² / 470 ≈ 6 мВт.
Диод VD1. Обратное напряжение светодиода VO617A — не больше 6 В. Если клеммы перепутать, 24 В окажутся приложены к светодиоду в обратном направлении. Встречный диод 1N4148 открывается и держит на светодиоде не больше своего прямого падения, а ток ограничивает тот же R1.

Оптопара 4N35

Классическая 4N35 (Vishay 83717) отличается корпусом DIP-6 с выводом базы и другими условиями нормирования: CTR не меньше 100 % при IF = 10 мА и VCE = 10 В, но во всём диапазоне от −55 до +100 °C — не меньше 40 %. Прямое напряжение — до 1,5 В при 10 мА, времена включения и выключения — по 10 мкс (тип.) на нагрузке 100 Ом. Вывод базы позволяет ускорить выключение резистором между базой и эмиттером: он отводит накопленный заряд, но уменьшает и CTR. Если база не используется, Vishay советует соединить её с общим проводом резистором большого сопротивления, чтобы она не ловила наводки (FAQ, вопрос 8).

Детали

Позиция	Деталь	Примечание
U1	VO617A-3	DIP-4; группа -3 — CTR 100–200 %
R1	240 Ом	для связи МК — МК; 2,2 кОм 0,5 Вт для входа 24 В
R2	1,5 кОм	подтяжка выхода, не меньше 1,3 кОм
R3	470 Ом	только во входе 24 В, шунт светодиода: порог «выключено» 4,5 В
VD1	1N4148	только во входе 24 В, защита от переполюсовки

Почему не работает

На входе приёмника не ноль, а 1–2 В. Подтяжка слишком мала для тока, который даёт оптопара: транзистор не входит в насыщение. Пересчитайте R2 по минимальному CTR с поправками или увеличьте ток светодиода.
Работало на столе, отказало в корпусе или через год. Расчёт по типичному CTR при 25 °C. На нагреве CTR падает, светодиод стареет — закладывайте поправки из AN45.
Вход 24 В «включается» от выключенного датчика. Нет шунта R3 или он велик: ток утечки датчика или наводка проходит через светодиод.
Импульсы искажаются, короткие пропадают. Выключение фототранзистора длится десятки микросекунд и растёт с подтяжкой. Уменьшите R2 до нижней границы или возьмите быструю оптопару.
Развязки нет, наводки остались. Общие провода двух схем соединены где-то ещё — через экран кабеля, общий источник или программатор.
Оптопара вышла из строя после переполюсовки входа 24 В. Нет встречного диода VD1: обратное напряжение на светодиоде превысило допустимые 6 В.

Частые вопросы

Какой ток светодиода оптопары выбрать?

Тот, при котором в даташите нормирован CTR, — у VO617A это 5 мА, у 4N35 10 мА. Больший ток даёт больший выходной ток, но ускоряет старение светодиода: Vishay связывает срок службы оптопары с током светодиода и температурой. Меньший ток допустим, но CTR тогда берут с графика нормированного CTR от тока — при малых токах он падает.

Почему резистор нагрузки считают по минимальному CTR, а не по типичному?

Выход оптопары должен надёжно притягивать вход к нулю у любого экземпляра, на худшей температуре и через годы работы. Vishay в AN45 берёт минимальный CTR группы, умножает на нормированный CTR при рабочем токе и температуре, а затем закладывает 20 % на старение светодиода и 25 % на разброс. Для VO617A-3 при 70 °C это 45 % вместо 100 % по таблице.

Можно ли подключить оптопару без резистора к выводу микроконтроллера?

Нет: светодиод — диод, и ток через него задаёт только последовательный резистор. Без резистора ток ограничит лишь выход микроконтроллера, а это выход за его допустимые ±25 мА на вывод у STM32F103. Резистор считают по напряжению питания, прямому напряжению светодиода и остаточному напряжению выхода.

Какую скорость пропустит VO617A?

В насыщении у VO617A типично 6 мкс включение и 25 мкс выключение, и время выключения растёт с сопротивлением нагрузки. Это сигналы порядка единиц килогерц: кнопки, датчики, медленная ШИМ. Для UART на 115 200 бод (бит 8,7 мкс) нужна быстрая оптопара с логическим выходом, например 6N137.

Источники

Vishay. VO617A: Optocoupler, Phototransistor Output, High Reliability, 5300 VRMS (Document Number 83430, Rev. 2.8, 22-Jan-2025) — с. 1 — DIP-4: 1 анод, 2 катод, 3 эмиттер, 4 коллектор; изоляция 5300 В (эфф.), −55…+110 °C; Absolute Maximum Ratings — VR 6 В, IF 60 мА, VCEO 80 В, IC 50 мА; Electrical Characteristics — VF 1,0–1,35–1,65 В при 60 мА, ICEO у -3 до 100 нА при 10 В, VCEsat 0,25/0,4 В при IF 5 мА и IC 1 мА; Current Transfer Ratio — группы -1…-9 при IF 5 мА, VCE 5 В, у -3 100–200 %; Switching Characteristics — в насыщении ton 6 и toff 25 мкс (тип.), без насыщения 3 и 2,3 мкс при RL 75 Ом; рис. 10 — нормированный CTR в насыщении от температуры; рис. 13 — от тока; рис. 16 — время переключения от сопротивления нагрузки
Vishay. 4N35, 4N36, 4N37, 4N38: Optocoupler, Phototransistor Output, with Base Connection (Document Number 83717, Rev. 1.8, 16-Jan-12) — DIP-6 с выводом базы (6); CTR 4N35 не меньше 100 % при IF 10 мА и VCE 10 В и не меньше 40 % от −55 до +100 °C; VF 1,2/1,5 В при 10 мА; BVCEO от 30 В; ton и toff 10 мкс (тип.) при 5 В, IC 2 мА, RL 100 Ом; изоляция 5000 В (эфф.)
Vishay. Application Note 45: How to Use Optocoupler Normalized Curves (Document Number 83706, Rev. 1.6, 07-Apr-2021) — уравнения 1, 2, 4–6 — CTR, RL = (VCC − VCEsat)/(IF · CTRsat), CTR для расчёта = CTRmin · NCTR · старение · допуск; примеры 1 и 2 — NCTR 0,75 при 0…70 °C и 0,71 при 75 °C и 7 мА, запас 20 % на старение за 10 лет и 25 % на разброс
Vishay. Application Note 04: Impact of the Current Transfer Ratio on Switching Times in Optocouplers With Transistor Output (Document Number 80579, revision 26-May-2025) — больший CTR — быстрее включение и медленнее выключение (заряд в насыщенном транзисторе), с нагревом выключение заметно замедляется; для стабильных времён — узкая группа CTR, для гарантированных — быстрые оптопары
Vishay. Optocouplers: Frequently Asked Questions (Document Number 84360, Rev. 1.0, 26-Feb-16) — вопрос 7 — VCEsat 0,25 В тип., до 0,4 В; вопрос 8 — вывод базы ускоряет выключение, неиспользуемую базу лучше соединить с общим проводом резистором большого сопротивления; вопрос 11 — срок службы зависит от тока светодиода и температуры
STMicroelectronics. STM32F103x8, STM32F103xB datasheet (DS5319 Rev 20, July 2025) — табл. 7 — до ±25 мА на вывод; табл. 36 — VIL 0,35·VDD, VIH 0,65·VDD, утечка входа ±1 мкА; табл. 37 — VOL не больше 0,4 В при 8 мА и VDD 2,7–3,6 В
Vishay. 1N4148: Small Signal Fast Switching Diode (Document Number 81857, Rev. 1.6, 07-Nov-2024) — обратное напряжение 75 В, прямой ток 300 мА

Нашли ошибку?