Como seleciono os componentes que acompanham um acoplador óptico?

Estou usando um optocoupler ( MOC3021 ) para detectar o estado On / Off de um dispositivo elétrico usando um microcontrolador ATmega16L. Como faço para fazer isso? As especificações da minha rede elétrica são 230V, 50Hz. Como faço para projetar o circuito circundante e selecionar valores de componentes, como os resistores?

EDITADO em 13 de junho de 2012 Nota: é a primeira vez que resolvo um circuito como este. Envie qualquer feedback útil. (incluindo coisas que fiz de errado ou melhorias)

Referindo-se ao esquema acima. A idéia é usar esse circuito para determinar se a carga está ligada ou desligada. O pino de saída do acoplador óptico se conecta a uma interrupção externa do microcontrolador que estou usando, que é o ATmega16L. A interrupção irá monitorar o estado da carga. Após o monitoramento, posso alternar o estado da carga usando um relé (o relé atua como um mecanismo de controle ) que se conecta ao mesmo microcontrolador.

Agora, tentei calcular os valores do resistor para R1, R2 e Rc. Observe que o VIL do microcontrolador (máx) = 0,2xVcc = 660mV e VIH (min) = 0,6xVcc = 1,98V e VIH (máx) = Vcc + 0,5 = 3,8V.

Calcular Rc é bastante fácil. Quando o transistor não está conduzindo, a saída é alta (a 3,3V). Quando o transistor conduz, a saída é reduzida. portanto, do ponto de vista do microcontrolador, a saída alta significa que a carga está desativada e a saída baixa significa que a carga está ativada.

Observando a folha de dados do SFH621A-3, usando CTR mínimo de 34% em IF = 1mA. Portanto, na entrada de 1mA, a saída será 340uA. Portanto, para que o microcontrolador detecte baixa tensão da saída do acoplador óptico, posso usar o valor do resistor de 1Kohm? Para que a saída do acoplador óptico tenha uma tensão de 340mV (abaixo de VIL (máx) )

Mais sobre isso mais tarde, foi um longo dia.

EDITADO em 15 de junho de 2012

Nota: Resolução de resistores na linha de força (R1 e R2). Por favor, verifique meus cálculos e quaisquer feedbacks adequados.

Objetivo : o objetivo é manter os LEDs * ON ** por um período máximo de tempo em um período de 10mS (período completo de 20Hz de 50Hz). Vamos dizer que os LEDs precisam estar LIGADOS por 90% do tempo, o que significa que os LEDs exigem pelo menos 1mA de corrente por 90% do tempo durante esse período, o que significa que os LEDs estarão ativos por 9mS em um período de 10mS. Assim, 9mS / 10mS = 0,9 * 180 ( meio período ) = 162 graus. Isso mostra que a corrente será de 1mA entre 9deg e 171deg ( e menor que 1mA de 0deg a 9deg e 171deg a 180deg ). Não considerou o tempo de ativação de 95%, pois trabalhar com números inteiros é puro e 5% não faz nenhuma diferença, pelo menos nesta aplicação.

Vpico-pico = 230V x sqrt (2) = 325V. Levando em consideração as tolerâncias. Tolerância mínima de 6%. 325 x 0,94 ( 100-6 ) x sin (9) = 47,8V

Portanto, R1 ≤ (47,8V - 1,65V) / 1mA = 46,1 Kohms Escolhendo um valor menor que 46,1 Kohms de 39 Kohms (série e12). Agora que uma resistência de valor menor é escolhida em comparação com o calculado, significa que a corrente através dos diodos será maior que 1mA.

Cálculo de nova corrente: ((325V x 110%) - 1,25V) / 39 Kohms = 9,1mA (muito próximo do máximo Se dos diodos). Voltando a isso em um momento [Label - 1x]

Primeiro, calcule as classificações de potência do resistor (considerando 39 Kohm) ((230 + 10%) ^ 2) / 39K = 1,64 Watts (muito alto).

Voltando ao cálculo [Etiqueta - 1x] Vamos escolher dois resistores de 22 Kohm. Juntos, eles somam 44 Kohm, o que é bem próximo a 46,1 Kohm (calculado acima)

verificação da potência nominal dos dois resistores combinados: ((230 + 10%) ^ 2) / (2 x 22) Kohm = 1,45W. escolha 22 resistores Kohm, cada um com potência de 1W.

Agora, depois de tudo isso, a CTR inicial foi de 34%, o que significa que 1mA de entrada será 340µA de saída . Mas agora, por causa dos resistores 2x22 Kohm, a corrente estará um pouco mais na saída. Isso significa maior potencial no resistor pull up Rc. Haveria um problema para obter uma queda de volt abaixo de 500mV na saída do acoplador óptico?

O MOC3021 é um optocoupler com saída triac. É usado para acionar um power triac normalmente para alternar os aparelhos operados pela rede elétrica. Triacs podem ser usados ​​apenas em circuitos CA.

Você precisa de um acoplador óptico com uma saída de transistor, de preferência um com dois LEDs antiparalelos na entrada. O SFH620A é essa parte.

Os dois LEDs antiparalelos garantem que o transistor seja ativado nos dois semiciclos da rede elétrica. Muitos optoacopladores possuem apenas 1 LED, o que funcionaria, mas fornece um pulso de saída de 10ms em um período de 20ms para 50Hz. Você precisaria colocar um diodo antiparalelo à entrada também nesse caso, para proteger o LED da sobretensão quando polarizada reversa.

$\mu$

$\Omega$$\mu$

$\mu$$\Omega$$\mu$

Se quisermos ter uma CTR de pelo menos 34% a 1mA, precisamos usar o SFH620A-3.

$\leq$$V_{IN}$$V_{LED}$

$\times$$\leq$$\Omega$$\Omega$$\times$ $\sqrt{2}$ $\times$$\Omega$

Não conseguiremos fazer isso com apenas 1 resistor. Provavelmente, ele não suporta a alta tensão e pode ter problemas de dissipação de energia também, chegaremos a isso em um minuto. O pico de tensão no resistor é de 357V. O resistor MFR-25 é classificado em no máximo 250V, portanto, precisaremos de pelo menos 2 deles em série. E quanto ao poder? 230V + 10% em 43k$\Omega$$\Omega$, que não é um valor E24. Podemos escolher o valor E24 mais próximo e verificar nossos cálculos ou escolher um E96. Vamos fazer o último.

Isso é tudo, pessoal. :-)

edit
Eu sugeri no comentário que há muito mais que deve ser contabilizado, essa resposta pode ser três vezes maior. Há, por exemplo, a corrente de fuga de entrada do pino de E / S do AVR, que pode ser dez vezes maior que a do transistor. (Não se preocupe, verifiquei e estamos seguros.)

$\times$ $V_{DD}$
tem corrente de saída suficiente, é apenas que a corrente de entrada de 1mA é tão alta que precisamos de resistores de energia para eles. Os Darlingtons não necessariamente resolvem isso se eles também são especificados apenas em 1mA. Com uma CTR de 600%, teríamos corrente de coletor de 6mA, mas não precisamos disso. Não podemos fazer nada sobre o 1mA em? Provavelmente. Para o optocoupler, mencionei que as características elétricas falam apenas de 1mA. Há um gráfico na folha de dados, fig.5: CTR versus corrente direta, que mostra uma CTR de mais de 300% a 0,1mA. Você precisa ter cuidado com esses gráficos. Embora as tabelas geralmente ofereçam valores mínimos e / ou máximos, os gráficos geralmente fornecem valores típicos. Você pode ter 300%, mas pode ser menor. Quanto mais baixo? Isso não diz. Se você criar apenas um produto, poderá experimentá-lo, mas poderá '
$\mu$$\mu$ saída. Você precisaria fazer os cálculos novamente, mas sua principal vantagem será que os resistores de entrada dissiparão apenas 150mW, em vez de 1,5W. Vale a pena.

Na minha outra resposta, expliquei por que não usei um acoplador óptico de Darlington: o principal motivo é a tensão de saturação de Darlington, que é muito maior do que para um BJT comum, pode ser tão alta quanto 1 V. Para o ATmega16L, você ' O uso da tensão máxima de entrada para um nível baixo é de 0,2 × VDD ou 0,66 V em uma fonte de 3,3 V. O 1 V está muito alto.

Mas não é algo que não possa ser consertado, são necessários apenas alguns componentes extras. Ao mesmo tempo, faremos algo sobre a corrente de entrada de 1 mA também.

Para começar com a corrente de entrada, tivemos que usar 1 mA porque a folha de dados não mencionou nada mais baixo e, em seguida, você pode tentar as coisas, mas você está por conta própria, não há garantias. A folha de dados do FOD816 , no entanto, possui um gráfico interessante.

Esse é esse. Este fornece CTR para correntes de entrada tão baixas quanto 100 µA, e é até alto: 350% (lembre-se, este é um Darlington). Mas você tem que ter cuidado com esses gráficos. Embora as tabelas geralmente ofereçam valores mínimos ou máximos, esse tipo de gráfico fornecerá valores típicos, a menos que indicado de outra forma. Então, o que é mínimo? Não sabemos, mas 100% é seguro. Vamos ter ainda mais segurança e assumir uma CTR de 50%. Assim, para 100 µA, obteríamos 50 µA. Vamos ver se isso é suficiente.

Este é o estágio de saída modificado. O transistor do U1 é o foto-Darlington, fornecendo 50 µA quando ligado. Vamos escolher 10 µA para R4, para que seu valor seja 0,6 V / 10 µA = 60 kΩ. Voltarei à função de R4 mais tarde.

Então, temos 40 µA restantes para a corrente base do T1. Se escolhermos um BC857A , teremos um$H_{FE}$de 125 no mínimo, então a corrente do coletor é de no mínimo 5 mA. Um R5 de no mínimo 660 Ω é suficiente para diminuir a saída. Como conduzimos uma entrada de microcontrolador de alta impedância, não precisamos de 5 mA e também podemos escolher 15 kΩ, de modo que limita a corrente a 220 µA. O vazamento de entrada de 1 µA da porta do controlador causará apenas uma queda de 15 mV, então tudo bem.

Qual é a função do R3? Normalmente é usado para limitar a corrente de base, mas o Darlington já não faz isso? Sim, mas o valor pode ser bastante alto. Na minha outra resposta, calculei que a corrente de pico do LED poderia chegar a 8,3 mA, que se tornará 830 µA em nossa versão de baixa potência. Calculamos com um valor seguro de CTR de 50%, mas normalmente será de 350% e o máximo, talvez até mais alto. 830 µA$\times$350 = 290 mA, o que é demais para o BC857A ruim. Portanto, limitaremos isso a 100 µA escolhendo um valor de 15 kΩ para R3.

R4 ainda precisa de explicações. Suponha que o omitamos. Então toda a corrente do Darlington vai para o T1. Quando desligada, a corrente de fuga do FOD816 (chamada "corrente escura" na folha de dados) pode chegar a 1 µA. T1 amplificará esse valor para 250 µA no pior dos casos, o suficiente para reduzir 3,3 V em R5. Portanto, a saída pode ser permanentemente baixa.
Escolhemos um valor de 60 kΩ para R4. Então, enquanto a queda de tensão for menor que 0,6 V, toda a corrente de Darlington passará por R4 e nenhuma por T1, porque a tensão mínima do emissor base não é atingida. Isso foi a 10 µA. Portanto, a corrente escura de 1 µA causará apenas uma queda de 60 mV e nenhuma corrente de base.

Temos valores para todos os nossos componentes, a única coisa que resta é aumentar os resistores de entrada para 220 kΩ cada. Você pode usar resistores de 1/4 W para isso.

Para descobrir os parâmetros do circuito, comece com o que você precisa na saída e trabalhe para trás. 10 kΩ é um bom valor para o pullup na saída. A menos que você tenha requisitos incomuns, como operação com bateria, onde a baixa energia é importante, 10 kΩ é uma boa alternativa entre baixa o suficiente para elevar a linha solidamente alta contra vazamentos e ruídos razoáveis, mas não tão baixa que exija muita corrente.

Quando o transistor de saída no opto é ativado, ele coloca no máximo 3,3 V em Rc. 3,3 V / 10 kΩ = 330 µA, que é a corrente mínima que o transistor deve poder afundar. Você quer um extra para que a linha seja mantida solidamente baixa quando deveria estar baixa. Eu diria que, no mínimo, deveria ser capaz de afundar 500 µA, mas usaria 1 mA, a menos que você tenha um motivo específico para reduzi-lo.

Agora que sabemos que a saída precisa afundar 1 mA, olhamos na folha de dados do opto para ver como precisamos acioná-lo para obter esse 1 mA. Você está usando a variante "-3" desta peça, que de acordo com a primeira página da folha de dados possui uma taxa de transferência de corrente mínima garantida de 100%. Isso significa que o transistor pode afundar pelo menos a quantidade de corrente que você usa em um dos LEDs. No entanto, observe o pouco "± 10 mA" acima das especificações da CTR. O que isso realmente está dizendo é que, se você colocar 10 mA nos LEDs, o transistor poderá afundar pelo menos 10 mA. Na verdade, não promete nada em nenhuma outra corrente de entrada.

Examinando mais a folha de dados, você encontra informações adicionais na parte superior da página 3. Aqui elas realmente mostram a CTR para entrada de 1 mA. Observe que agora é garantido apenas 34%. Isso significa que, para obter a capacidade de dissipador de saída de 1 mA, é necessário acionar os LEDs com 1 mA / 34% = 2,9 mA; portanto, vamos apontar para um mínimo absoluto de 3 mA.

Você diz que a tensão que deve ser detectada é 230 V CA. Como se trata de um seno, ele terá picos de 325 V. O sinal de saída do opto está entrando em um micro; portanto, não é necessário que seja um sinal estável quando a energia está ligada. De fato, é uma boa idéia para o micro conseguir interrupções momentâneas e falhas. Eu provavelmente manteria um contador decrementado a cada ms quando o sinal estiver desligado e redefiniria para algo como 50 quando ligado. Isso significa que você não vê sinal por 50 ms para declarar que a energia está desligada. Tudo o que é necessário é um pequeno toque no pico do ciclo da linha e esse sistema funcionará bem. Observe que os picos do ciclo da linha ocorrem a cada 10 ms com potência de 50 Hz.

Então, vamos ver onde estamos. Queremos ter um fluxo de pelo menos 3 mA entre os LEDs quando a tensão de alimentação for 325 V. Os LEDs cairão até 1,65 V (parte superior da tabela inferior na página 2), e isso ainda deve funcionar na tensão de linha de energia mais baixa razoável . Vamos tentar detectar um mínimo de 200 VCA, que é 283 V de pico e 281 V após a queda do LED. 281 V / 3 mA = 94 kΩ. Em teoria, isso é tudo o que é necessário em série com os LEDs para acionar a saída pelo menos um pouco uma vez por pico de potência.

Na prática, é uma boa ideia adicionar alguma margem. Você deseja que a saída seja declarada para uma fração finita razoável de cada meio ciclo, e não apenas para garantir um pequeno toque. Dado tudo isso, eu reduziria pela metade o resistor para 47 kΩ. Isso ativará solidamente a saída para todas as condições razoáveis ​​com margem significativa.

Você pode pensar que é tudo o que precisa fazer, mas espere, há mais. Pense no que acontecerá em alta tensão de linha, como 240 V. Os picos são de 340 V, o que causaria 7,2 mA através dos LEDs. Você precisa verificar a corrente máxima permitida do LED, que é de 60 mA, para que tudo bem. No entanto, considere a dissipação de energia no resistor. Se dissermos que a tensão da linha do pior caso é 240 V, a energia que entra no resistor (ignorando a queda de tensão do LED) é (240 V) ² /47 kW = 1,23 W. Isso deve ser no mínimo um "2 W" resistor então, e ficará visivelmente quente.

Outra questão é que a classificação de tensão do resistor precisa ser considerada. Ele precisa suportar os picos de 340 V; portanto, no geral, você precisa de um resistor de 47 kΩ com classificação de 2 W e 400 V. Esses podem ser encontrados, mas pode ser mais simples usar vários resistores em série. Isso espalha o pico de tensão e a dissipação de energia entre os resistores da série. Quatro resistores de 12 kΩ fariam isso e dissiparão apenas 300 mW e verão 85 V cada. Isso será mais fácil de encontrar e mais barato do que um único resistor, a menos que seja um produto em volume no qual você possa comprar itens em grande quantidade. Portanto, a resposta à pergunta é colocar quatro resistores comuns de 12 kΩ 1/2 Watt em série com os LEDs.

Observe que eles não precisam ser divididos em cada lado do opto, como você mostra R1 e R2. Só precisa haver uma única resistência em série com os LEDs em algum lugar. Como essa resistência é composta por quatro resistores individuais, neste caso, você pode dividi-los da maneira que desejar, para que as coisas funcionem melhor mecanicamente no lado de alta tensão do circuito. De preferência, eles estariam de ponta a ponta para maximizar o caminho de criação da alta tensão e espalhar o calor.

No entanto, eu realmente não gosto deste acoplador óptico para esta aplicação, pois possui uma taxa de transferência de corrente baixa, o que nos força a fornecer muita corrente de LED, o que faz com que muita energia seja consumida no resistor. Para esse tipo de aplicação em que a alta taxa de transferência de corrente é útil e a velocidade não importa muito, eu gosto do FOD817 barato e disponível. As versões D desta peça têm uma CTR garantida de 3x a 5 mA. Eles não dizem exatamente o que você obtém 1 mA, mas é uma aposta bastante segura que a saída possa afundar pelo menos 1 mA com 1 mA pol.

O FOD817 possui um único LED, mas é fácil de lidar (o FOD814 possui LEDs de back-to-back, mas está menos disponível e não vem em algumas das variantes de maior ganho). Usando o esquema de 50 ms descrito acima, não há problema se você receber um pulso uma vez por ciclo de linha, que é a cada 20 ms. Coloque um diodo em série com o LED, além dos resistores, e um resistor de alto valor em todo o LED para garantir que ele não veja alta tensão reversa devido a um pouco de vazamento do diodo. 100 kΩ é bom e é alto o suficiente para que sua corrente seja irrelevante para nossos outros cálculos. Outra vantagem disso é que você não apenas obtém menor dissipação de energia devido à necessidade de menos corrente do LED, mas também outro fator de duas reduções de energia, porque o LED é conduzido apenas em uma direção.

Então aqui está a minha resposta final:

Se você está procurando uma CTR muito alta para esse tipo de aplicativo, consulte o Liteon LTV-8xxx . 600% min. a 1mA SE.