Разгоняем оптрон до сотни

Если поискать в интернете схемы подключения оптронов, то можно обнаружить, что в подавляющем большинстве случаев предлагается просто добавить резистор. Это самая простая схема, она же и самая медленная. Когда скорость реакции не устраивает, предлагается ставить более быстрый оптрон, но, во-первых, быстрые оптроны - это дорого, и во-вторых, почему бы не разогнать быстрый оптрон до ещё большей скорости?

Итак, в чём основная проблема передачи сигнала через оптопару? Обычно в оптопаре на выходе стоит биполярный транзистор, а все биполярные транзисторы страдают такой проблемой как ёмкость переходов. Основную проблему создаёт ёмкость между коллектором и базой, во время переходных процессов именно она мешает транзистору быстро открываться и закрываться. Это явление называется эффект Миллера. Ещё во времена ламповых приёмников придумали, как с ним бороться. Основная идея в том, чтобы напряжение между базой и коллектором не менялось, в таком случае не придётся тратить время на перезарядку паразитной ёмкости.

Для примера давайте сравним, как ведёт себя оптрон при обычном включении и при включении с постоянным напряжением. В первом случае ёмкость заряжается так медленно, что выходной сигнал болтается где-то возле середины.

А теперь модельное включение, которое должно показать предельно достижимое время реакции.

Такой сигнал (красный график) выглядит намного приятнее, фронты уменьшились до 0.1 мкс. В исходном они были где-то 2-3 мкс, то есть ускорение примерно в 20-30 раз. Теперь возникает вопрос, как этим воспользоваться на практике, снять сигнал с оптрона, не меняя напряжения. И первый способ - это каскодное включение (зелёный график).

Уже неплохо, со 100 кБит/с разогнались до 1 Мбит/с, но всё ещё не идеально. Если добавить ещё один резистор, то можно построить дифференциальный усилитель.

Немного Титце и Шенка, и пожалуйста, графики практически совпали, 3 мкс превратились в 100 нс.

Ура, всё работает, расходимся? Нет, нужно больше золота, так что переходим ко второй части. Сейчас мы боролись с выходной ёмкостью, но есть ещё входная ёмкость, и для неё так же существуют стандартные схемотехнические методы. Почему бы, например, не включить на вход конденсатор, чтобы он быстрее заряжал ёмкость светодиода.

Как видите, для нарастающего фронта это оказалось серебряной пулей. Теперь надо разогнать спадающий фронт, и здесь возникает проблема. У нас ведь однополярное питание, а для разряда светодиода нужно отрицательное напряжение. Поэтому следующим шагом будет схема со сдвигом уровня (не знаю, есть ли тут общепринятое название). Ставим на выходе компаратор, который сравнивает ток через оптрон. Его можно собрать из пары токовых зеркал, подобный входной каскад повсеместно ставится в ОУ и компараторах.

Пары транзисторов продаются в одном корпусе, так что должно получиться довольно компактно. Вторая серебряная пуля готова, однако можно заметить, что спадающий фронт немного отстаёт. И наконец мы пришли к золоту: вместо самодельного компаратора ставим промышленный. Вот они, фронты 10 нс.

Можно поднять входную частоту до 100 МГц и посмотреть, что там в итоге получилось.

В принципе неплохо, можно в продакшен, правда здесь возникает другая проблема - такие компараторы дорогие.

P.S.: в последней схеме с трудом подобрал номиналы, так что не надейтесь, что она у вас заработает на заявленной частоте.

Схемы моделировались в LTspice.

Комментарии 51

    +1
    Кстати! Как раз стоит задача измерения напряжения на высокой стороне и организация обратной связи… Такое решение будет приемлемым: сделаю на полевиках простейший преобразователь, а управлять из решающего устройства. Спасибо!
      +5
      Почему у вас везде разная амплитуда красного графика? Это напряжение на диоде? Тогда почему вы сравниваете выходы при разной амплитуде входного сигнала (вторая и третья осциллограмма, например)?
      И чоень непонятно, что есть что на графиках.
        +2
        Цвета графиков каждый раз при выделении меняются, поэтому в тексте подписано, какой график смотреть. Когда ток течёт через сопротивление, напряжение получается пропорциональным, поэтому с точки зрения исследования не важно, что именно мерить. Зато важно совмещать графики, которые хотелось бы сравнить, поэтому в некоторых местах вместо напряжения измерялся ток. Были ещё некоторые допущения, которые не влияют на результат. Чистый меандр — это вход, напряжение на диоде вообще не мерил. А ещё графики сверху подписаны.
          +1
          Вот в этом и проблема. Интересно же сравнить, а что есть что непонятно.
            +3

            Лучше бы вы выбрали один и тот же цвет для каждого графика и использовали его на протяжении всей статьи во всех картинках. Это можно сделать минут за пять исходя из картинок в статье, просто примитивной заменой цвета в графическом редакторе, тогда статья, и так отличная, станет ещё лучше!

              +1
              Цвета поправил, некоторые подписи тоже.
            +2
            Достойно!
            Ну одна их самых быстрых оптопар, представленных на рынке вот с таким тюнихом HCPL-7723 на 50Мегабит, так что вполне реализуемо, хотя ценник ее далеко выше современных решений в виде готовых цифровых изоляторов, так что смысла практического оно уже не имеет.

            Хотя не, неправ, есть TLP2367 за два бакса, уже вполне сносно, правда там нет форсирования светодиода.
              +1
              Я так понимаю, что задача гальванически развязать два устройства.
              В аналоге я не силен, поэтому начал применять микросхемы:
              AduM1200 для uart
              AduM1250 для swd — скорость смог поднять до 1400 кГц (для прошивки мне хватает)
              Смысл: обвязки практически нет (пара конденсаторов и пара резисторов (для swd))
              Скорее всего выходит дороже, но нервов меньше :)
                +1
                Может их для станка и использую, вроде цена гуманная, если не для серии. Про статью, собственно, из-за наводок от шпинделя вспомнил.
                  0
                  АДУМы не рекомендую для развязки сетевого напряжения, т.к. у них расстояние между горячей и холодной стороной — 100 микрометров. У оптронов порядка миллиметра. Поэтому при аварии (подали на низковольтный вход 220 В) АДУМ гарантированно выжигает плазмой холодную сторону, а в оптроне сгорает только светодиод.
                    0
                    мы ставим silabs, хорошо работают
                      0
                      И там и там менять компонент же.
                        0
                        Для этого придумали защитные стабилитроны.
                          0
                          У низковольтных супрессоров размера SMA ёмкость тысячи пФ, мегагерцам через них не пройти. А маломощные сгорят вместе с адумом и частью вашего развязанного устройства.
                            0
                            Ну, это решается предохранителем в цепи. И есть типовые схемы защиты от высокого напряжения Ethernet и прочего.
                              0
                              Предохранители предназначены не для защиты электроники, а для зашиты силовых проводников.
                                0
                                Это в книжке так написано, а других книжек нет?
                                Есть много типовых схем, где предохранитель применяется для ограничения возможных повреждений или для защиты чувствительных элементов.
                          0
                          У нас «схема» примерно такая:
                          — на входе 220в., далее развязывающий транс на 220в.
                          — после транса идет питание на две платы, у которых на пинах Tx,Rx,SWDIO,SWCLK есть потенциал 220в.

                          И между этими двумя платами нужно организовать обмен по uart и в случай чего, прошить их.
                          В данном варианте Adum уместны?
                          Спасибо!
                            +1
                            Вот так выглядит плата нашего контроллера, в который сборщики-бракоделы впаяли киловольтный конденсатор
                            на место 250-вольтного Y-конденсатора
                            image

                            А так выглядит корпус мотора, который в это время был подключен к контроллеру:
                            Скрытый текст
                            image

                            Хотя казалось бы, откуда больше киловольта в бытовой сети… Поэтому для развязки именно сетевого напряжения я бы не рекомендовал адумы с зазором между горячей и холодной сторонами 0,1 мм…
                              0
                              Эмм… может нужно было написать — нагрузка 60Вт. И это обычная лампочка.
                              По сути это тестер плат: с одной стороны «тестировщик», с другой — тестируемая плата. Все платы запитаны через транс 220-220.
                              Могут быть проблемы?
                                0
                                Если все гальваноразвязаны от сети, но разные потенциалы, то можно конечно адумы. А вот если одним концом плата сидит на фазе, а другим — на земле или нуле, то ой…
                                  0
                                  Обе платы питаются от развязывающего транса, т.е. фазы там однозначно нет.
                          +1

                          AduM своеобразно себя ведет там, где требуются одинокие импульсы.

                          +2
                          И ещё вопрос. Выход сигнала, я так понимаю, у вас активный. А если параллельно резистору светодиода поставить диод шоттки? Должно помочь с задним фронтом быстро разряжая ёмкость диода.
                            0
                            Теоретически должно сработать, но не факт. Пробовал моделировать подключение диода Шоттки от базы транзистора к коллектору, там особого ускорения не было видно.
                            +1

                            Еще диодные оптроны использовать можно. И тоже включать при постоянном запирающем напряжении на диоде с выходом по току.

                              +6

                              КМК, проблема не столько в эффекте Миллера, сколько в рассасывании неосновных зарядов базе фототранзистора. Для существенного убыстрения оптрона типа 4N35 и подобных (с выводом базы фототранзистора) — рекомендуется включать резистор параллельно эмиттерному переходу (ценой падения коэффициента передачи).
                              Также — можно учесть тот факт, что фототранзистор имеет "плавающий" источник базового тока и включать нагрузку в эмиттер, а не в коллектор (но, по факту, каскад всё равно останется с общим эмиттером, несмотря на контринтуитивность).


                              Или — использовать фототранзистор, как датчик с токовым выходом при минимальном изменении амплитуды напряжения коллектор-эмиттер: https://leoniv.livejournal.com/291641.html
                              P.S. Ctrl-F A820

                                +2
                                Все верно, фототранзистор не имеет (и не может иметь, ибо он фото-) внутри диода Шоттки для сливания лишнего тока базы в коллектор для препятствия насыщению.

                                Поэтому все схемотехнические меры увеличения быстродействия БТ до-шоттковской эры (где-то с начала 60-х годов ЕМНИП) неожиданно здесь снова становятся актуальными — включение с ОБ, как токовый коммутатор по сути, и с ОК, как ООС по напряжению — это блестящий пример того, что а) история развивается по спирали, и б) настоящий инженер, когда нужно, может заглянуть внутрь «черного ящика», и понимая, как он устроен, вывернуть его наизнанку. Согласитесь, решение достойно, например, знаменитой книги Шевкопляса

                                UPD — посмотрел сейчас — рассматриваются оптроны с выходом-двухполюсником — для них, конечно, ОК недостижим, а ОБ можно рассматривать как питание перехода генератором тока (втч через зеркало)
                                +2
                                Если не сложно, подпишите где какие графики у вас представлены.
                                  +1

                                  цены производителя,
                                  Price (100-499)
                                  LTC6752 $2.25
                                  ADuM121N $1.01 (150MBps, Output Rise/Fall Time tR/tF 2.5ns, Pulse Width min 6.6 ns)

                                    +12
                                    А в железе это проверялось? А то в spice можно нагородить много чего, что в реальности не работоспособно.
                                      +6

                                      Проверить в железе и не при комнатной температуре, обнаружится много веселого

                                        +3

                                        Плюс со временем оптопара начнёт стареть и деградировать, и добавится еще весёлого

                                        0
                                        Выше давали ссылку на ЖЖ, там схема реального устройства с каскодным включением оптрона и осциллограммы работы. Насчёт температурной зависимости правильный вопрос, токовое зеркало при касании пальцем одного транзистора сразу реагирует, так что нужны хотя бы парные транзисторы в одном корпусе.
                                        +1
                                        Коллега через оптроны вполне успешно передавал аналоговые сигналы.
                                          +1
                                          Для этого есть даже специальные оптроны с гарантируемой линейностью.
                                            +1
                                            Да можно двойной оптрон, и включить в ос вторую пару для линеаризации — около процента получается без лишних проблем.
                                              +1
                                              Можно и так. А ещё есть развязывающие усилители, тоже приятная штука.
                                          +9
                                          Для PC817 максимальный ток коллектора 50 мА, так что 20 Ом на схеме — очень смело…
                                          или расчёт на: «а откроем чуть-чуть» ?:)
                                            +2
                                            Издержки моделирования. Иногда на форумах постят модели с очень красивыми графиками, которые просто принципиально не могут работать в железе.
                                              0
                                              там же транзистор внешний в той же цепи, либо еще с 560 Ом, либо источник тока.
                                              +2
                                              Если это настолько просто, почему производители микроэлектроники не сделали интегрированное решение?
                                                0

                                                Такие решения есть.
                                                Выше в комментах упоминали HCPL-7723. Вот там схема несколько сложнее светодиода с транзистором)

                                                0
                                                зачем это публиковать? в реальности будет работать только первая схема. и на частоте по даташиту. всё остальное-это выдумки автора.
                                                  +2
                                                  Не то, чтобы я страдал синдромом «в интернете кто-то не прав», но уж очень не люблю такие категоричные комментарии, ничем не подкрепленные, поэтому не поленился, и собрал на макетке следующую схему (номиналы такие же, светодиод так же от 2.7В меандра работает, оптопара pc817b от Sharp):
                                                  схема


                                                  Как и ожидалось, модель в Ltspice немного кривовата, даже ISIS симулирует лучше, но схема вполне рабочая, вот осциллограмма с токового компаратора:
                                                  pc817


                                                  Единственный оптрон с выводом базы, который нашелся у меня в закромах, это аот128а, схему почти не менял, только добавил базовый резистор в 47к, результат еще лучше:
                                                  aot128a


                                                  В принципе, можно резистор к светодиоду заменить на (1к || (50..200 ом + 1н)), но принципиально ситуацию это не изменит. Диод шоттки в базу-коллектор тоже не влияет, ведь потенциал коллектора не меняется. Это во 1.
                                                  Во 2-х, комментирующим про ток светодиода, почитайте, пожалуйста даташит на оптрон повнимательнее, и посмотрите на схему еще раз.
                                                  По температуре: поплывет в основном только CTR, это решается правильным выбором порога компаратора с запасом для необходимого диапазона.
                                                  Вывод: вполне годная схема, добавлением пары корпусов SC-70 можно протащить какой-нибудь UART 115200 или даже немного больше или SPI в одну сторону, а для развязки ШИМа, использовать рискованно.
                                                    0
                                                    О, супер, есть тест в железе.
                                                    Если уменьшить ток светодиода, то фронты растягиваются, так что для 3.3 В надо пересчитывать номиналы. Ещё в процессе моделирования обнаружил, что одно зеркало можно выкинуть, то есть вся доработка обычной схемы сводится к добавлению одного лишнего корпуса SC-70. Фронты будут не такие крутые, но отставание всё равно минимальное, и можно передавать аналоговые сигналы.
                                                  +3
                                                  Очередной виток изобретений…
                                                  Быстрые оптопары работают в токовом режиме, просто эту часть не рисуют в доках.
                                                    +10
                                                    Классно. Заменили 500 Ом в коллекторе на 20 и поставили после оптрона компаратор — и, о чудо, фронтам похорошело! Только вот то, что оптрон сдохнет через пару минут после подачи сигнала — об этом не подумали.

                                                    Вообще все эти игры с симулятором — разговор ни об чём. Чтобы оптрон не сдох нужно сопротивление увеличить раз в десять-пятнадцать. В итоге на выходе оптрона на высоких частотах получаем пилу. Ворота, в которых работает компаратор уменьшаются до предела. Начинаем подбирать порог срабатывания компаратора — в результате всё плавает от температуры и напряжения. Плюс появляется приличная задержка распространения сигнала. Ну и т.д. Совершенно неработоспособная конструкция.
                                                      +3

                                                      а на таких частотах разве не ставят трансформаторы вместо оптопар?

                                                        0
                                                        На схемах не понятно откуда снимаются токи, напряжения. Предлагаю Вам на всех схемах указать (точками разноцветными, буквами, стрелками) откуда Вы снимаете графики.
                                                        И ещё хотелось бы увидеть данные опыты на реальном железе.
                                                          0

                                                          Спасибо за интересную статью. Некоторое время назад пытался делать енкодер для двигателя на простой оптопаре (по сути тот же оптрон только диод и транзистор) отдельно. И был не много удивлён, что если сигнал перекрыть на очень короткое время, то почти не возможно подстроить порог срабатывания.
                                                          И только с осциллографом стало понятно, что где-то с 10 кГц характеристики фототранзистора начинают падать из-за эффекта рассасывания заряда. Попробую еще схемами из статьи поиграть.

                                                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                          Самое читаемое