В статье рассказывается, как с помощью оптронных развязок осуществить ввод в контроллер дискретной информации с уровнем 220 В. Приведена практическая схема доступная для изготовления в любой электролаборатории.
В технологических процессах достаточно часто приходится контролировать положение движущихся частей механизмов машин. Для этих целей разработаны и успешно применяются концевые выключатели различных конструкций и принципов действия.
Самые простые по конструкции и принципу действия, конечно же, обычные механические выключатели контактного типа: посредством системы механических рычагов, а нередко и целой системы шестерен, приводящей в движение кулачки, замыкается электрический контакт, что может означать конечное или начальное положение механизма.
Кроме контактных концевых выключателей, или как их коротко называют концевиков, широко распространены бесконтактные концевые выключатели. Типичным представителем этого семейства являются концевики типа БВК. Модификаций их достаточно много, поэтому после букв БВК ставятся цифры.
Их работа основана по принципу управляемого релаксационного генератора. Когда в щелевой зазор такого концевика входит металлическая пластина, генерация прекращается и срабатывает выходное реле. Естественно, что вышеупомянутая пластина расположена на той части механизма, положение которого необходимо контролировать. Внешний вид такого концевика показан на рисунке 1.
Рисунок 1. Бесконтактный путевой выключатель БВК
Кроме датчиков на основе релаксационного генератора применяются датчики индукционные, емкостные, оптические, ультразвуковые и других типов. Но, несмотря на такое разнообразие типов датчиков, и их принципов действия, обычные контактные концевики своих позиций не сдают, и отправлять их в отставку еще рано.
Зачастую механизмы с контактными концевиками входят в автоматизированные системы, работающие под управлением контроллеров. В этом случае информация о положении механизма должна передаваться в контроллер, управляющий работой данного механизма.
Одним из таких механизмов является самая обычная водопроводная задвижка. На ее примере мы и рассмотрим, как передать информацию о ее положении в контроллер. Наиболее просто и надежно это сделать при помощи оптронной развязки. Об этом и будет рассказано в этой статье.
Достаточно часто по телевизору нам показывают, как рабочий крутит большой маховик на большой задвижке, закрывая поток газа или нефти. Поэтому многие даже и не подозревают, что задвижки сейчас не просто механизированные, оснащенные электрическими двигателями, а еще и входят в различные системы автоматического управления.
На рисунке 2 показана упрощенная схема управления задвижкой.
Рисунок 2. Упрощенная схема управления задвижкой
С целью сокращения объема рисунка не показаны собственно силовые контакты, управляющие электродвигателем и сам электродвигатель, а также различные элементы защиты, такие, как автоматические выключатели и тепловые реле.
Ведь устройство обычного реверсивного магнитного пускателя прекрасно знает каждый электрик.
А уж сколько раз приходилось устранять неисправность простым нажатием кнопки на «теплушке»!!! Но все же назначение некоторых элементов схемы придется объяснить.
На схеме показаны катушки магнитных пускателей К1, К2. При включении К1 происходит открытие задвижки, а при включении К2 закрытие, о чем говорят надписи около катушек. Катушки пускателей, показанные на схеме, рассчитаны на напряжение 220В.
Нормально – закрытые контакты К2 и К1 это стандартное решение для любого реверсивного пускателя – блокировка: когда включен один пускатель другой уже включиться не сможет.
Открытие или закрытие задвижки начинается при нажатии соответствующих кнопок, показанных на схеме. После отпускания кнопок пускатель удерживается во включенном состоянии собственным контактом (блок – контакт). Такой режим работы называется самопитанием. На схеме это нормально разомкнутые контакты К1 и К2.
Несколько выше этих контактов на схеме расположен прямоугольник с контактами внутри и надписью «механизм МСП». Это механизм сигнализации положения (МСП). На нашей схеме задвижка находится в среднем положении, поэтому контакты S1 и S2 замкнуты, что позволяет включить любой пускатель, как на открытие, так и на закрытие.
Механизм МСП представляет собой редуктор, преобразующий многооборотный ход рабочего органа, в данном случае винтовой пары задвижки, в угловое перемещение вала с кулачками. В зависимости от модели МСП этот угол может быть 90…225 градусов. Передаточное отношение редуктора может быть по требованию заказчиков любым, что позволяет наиболее точно настраивать положение кулачков.
Кулачки, расположенные на валу могут поворачиваться на требуемый угол, и закрепляться. За счет этого можно получить различные моменты срабатывания микропереключателей. На нашей схеме это S1…S4.
Некоторые модификации МСП кроме микропереключателей содержат индукционный датчик, который выдает аналоговый сигнал об угле поворота вала. Как правило, это токовый сигнал в диапазоне 4…20 мА.
Но этот сигнал мы здесь рассматривать не будем.
Теперь давайте вернемся к нашей схеме. Предположим, что была нажата кнопка открытия. В этом случае задвижка начнет открываться, и будет открываться до тех пор, пока не сработает микропереключатель S1 в механизме МСП. (Если, конечно, прежде этого не будет нажата кнопка «стоп»). Он обесточит катушку пускателя К1 и открытие задвижки прекратится.
Если механизм будет находиться в таком положении, то нажатие на кнопку открытия пускатель К1 включить уже не сможет. Единственное, что может заставить включиться электродвигатель в этой ситуации, это нажатие на кнопку закрытия задвижки. Закрытие будет продолжаться до срабатывания микропереключателя S2. (Либо до нажатия кнопки «Стоп»).
Как открытие, так и закрытие задвижки в любой момент может быть прекращено нажатием кнопки «стоп».
Как уже упоминалось выше, задвижка не вот работает сама по себе, «нажали кнопку, и ушли», а может входить в систему автоматики. В этом случае надо каким-то образом сообщить блоку управления (контроллеру) о положении задвижки: открыта, закрыта, находится в промежуточном положении.
Проще всего это сделать, используя дополнительные контакты, которые, кстати, в МСП уже имеются. На схеме это контакты S3 и S4, оставленные свободными. Только в этом случае возникают дополнительные неудобства и расходы. Прежде всего, это то, что к дополнительным контактам надо провести и дополнительные же провода. А это уже дополнительные расходы.
Дополнительные неудобства сводятся к тому, что приходится настраивать дополнительные кулачки. Эти кулачки называются информационными. На нашей схеме это S3 и S4.
Относительно силовых (на схеме это S1 и S2) они должны быть настроены весьма точно: например, информационный концевик говорит контроллеру, что задвижка уже закрылась и контроллер просто отключает задвижку. А она еще и до половины не дошла!
Поэтому на рисунке 3 показано, как получить информацию о положении задвижки используя силовые контакты. Для этой цели можно применить оптронные развязки.
Рисунок 3.
По сравнению с рисунком 2 на схеме появились новые элементы. В первую очередь это контакты промежуточных реле с названиями «реле Откр.», «реле Закр.», «реле Стоп».
Нетрудно заметить, что первые два подсоединены параллельно соответствующим кнопкам ручного пульта управления, а нормальнозамкнутые контакты «реле Стоп.» последовательно с кнопкой Стоп.
Поэтому в любой момент задвижка может управляться либо нажатием кнопок от руки, либо от блока управления (контроллера) при помощи промежуточных реле. Для упрощения схемы катушки промежуточных реле не показаны.
Кроме этого на схеме появился прямоугольник с надписью «Оптронные развязки». В нем находятся два канала, позволяющие напряжение с концевиков механизма МСП, а это 220В, преобразовать в уровень сигналов контроллера, а также осуществить гальваническую развязку от силовой сети.
На схеме видно, что входы оптронных развязок подключены непосредственно к микропереключателям S1 и S2 механизма МСП. Если задвижка находится в среднем положении (частично открыта) оба микропереключателя замкнуты и на обоих входах оптронных развязок присутствует напряжение 220 В. В этом случае выходные транзисторы обоих каналов будут в открытом состоянии.
Когда задвижка полностью открыта, разомкнут микропереключатель S1, напряжения на входе канала оптронной развязки нет, поэтому выходной транзистор одного канала будет закрыт. То же самое можно сказать и о работе микропереключателя S2.
Принципиальная схема одного канала оптронной развязки показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Принципиальная схема одного канала оптронной развязки
Описание принципиальной схемы
Входное напряжение через резистор R1 и конденсатор С1 выпрямляется диодами VD1, VD2 и заряжает конденсатор С2.
Когда напряжение на конденсаторе С2 достигнет напряжения пробоя стабилитрона VD3 заряжается конденсатор С3 и через резистор R3 «зажигает» светодиод оптрона V1, что приводит к открытию транзистора оптрона, а вместе с ним и выходного транзистора VT1. выходной транзистор через развязывающий диод VD4 подключается ко входу контроллера.
Несколько слов о назначении и типах деталей.
Конденсатор С1 работает в качестве безваттного резистора. Его емкостное сопротивление ограничивает входной ток. Резистор R1 предназначен для ограничения броска тока в момент замыкания микропереключателей S1, S2.
Резистор R2 предохраняет от повышенного напряжения конденсатор С2 в случае обрыва в цепи стабилитрона VD3.
В качестве стабилитрона VD3 используется КС515 с напряжением стабилизации 15В. На этом уровне ограничивается напряжение заряда конденсатора С4 и соответственно ток через светодиод оптрона V1.
В качестве оптрона V1 применен АОТ128. Резистор R5 сопротивлением 100 КОм удерживает в закрытом состоянии фототранзистор оптрона при отсутствии засветки светодиода.
Если вместо отечественного оптрона АОТ128 применить его импортный аналог 4N35 (хотя это еще вопрос, кто из них аналог?), то резистор R5 следует поставить с номиналом 1МОм. Иначе буржуйский оптрон работать просто не будет: 100 КОм закроет фототранзистор настолько прочно, что открыть его будет ничем уже не возможно.
Выходной каскад на транзисторе КТ315 рассчитан на работу с током 20 мА. Если же требуется больший выходной ток можно применить более мощный транзистор, например КТ972 или КТ815.
Схема достаточно проста, в работе надежна и в наладке не капризна. Даже можно сказать, что в наладке не нуждается.
Проверить работу платы проще всего подав на вход напряжение сети 220В прямо из розетки. На выход подключить светодиод через резистор около одного килоома и подать напряжение питания 12В. При этом светодиод должен зажечься. Если напряжение 220В выключить, то светодиод обязательно должен погаснуть.
Рис. 5. Внешний вид готовой платы с оптоэлектронными развязками
На рисунке 5 показан внешний вид готовой платы, содержащей четыре канала оптронных развязок. Подключение входных и выходных сигналов производится при помощи клеммников, установленных на плате. Плата изготовлена по лазерно – утюжной технологии, поскольку делалось это для своего производства. За несколько лет эксплуатации отказов практически не было.
Борис Аладышкин
Использование гальванической развязки
Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, в качестве которого может использоваться корпус.
Обычно он служит одним из полюсов электропитания, поэтому подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к тому, что при коммутациях сильноточных цепей на нем «наводятся» кратковременные импульсные помехи.
В то же время для передачи информации чисто электрическим путем между устройствами — источником и приемником информации — должен быть один общий потенциал, в качестве которого и выступает общий провод. В результате помехи, возникающие при коммутациях сильноточных цепей и распространяющиеся через корпус, неизбежно будут вызывать сбои в работе электронных устройств.
Эффективным методом борьбы с такого рода помехами является гальваническая развязка источников помех и устройств, на работу которых помехи оказывают вредное влияние. Для этого осуществляют раздельное питание силовых и слаботочных устройств, устройств выработки управляющих сигналов и исполнительных. В идеальном случае каждое из устройств должно иметь собственный ИВЭП.
Помимо борьбы с помехами, гальваническая развязка обеспечивает решение еще одной проблемы — совместной работы устройств, находящихся под разными потенциалами, так как простое электрическое соединение цепей таких устройств приведет к их выгоранию.
Однако при этом возникает проблема передачи информационных сигналов между разными устройствами. Для ее разрешения применяют различные способы гальванической развязки информационных цепей.
Использование оптронной развязки позволяет эффективно решать проблему передачи цифровой информации. Как это было показано в параграфе 1.
2, оптрон содержит пару «светодиод — фотодиод», которая обеспечивает передачу сигнала через оптическое излучение. Поскольку оптическое излучение электрически нейтрально, оно не подвержено влиянию электромагнитных помех.
Входные и выходные цепи при этом электрически никак не связаны, т.е. гальванически развязаны (рис. 2.39).
Рис. 2.39. Схема гальванической развязки информационных цепей:
1 — светодиод; 2 — фотодиод
Оптронную развязку используют главным образом при передаче цифровой информации. Передаче двух цифровых уровней (единицы и нуля) соответствует либо включенное, либо отключенное состояние светодиода. В затемненном состоянии ток через фотодиод практически отсутствует.
При облучении фотодиода светодиодом происходит генерация фототока, который в отличие от обычного прямого тока диодов является обратным и направлен от катода к аноду. Ток фотодиода преобразуется в цифровые уровни обычно с помощью транзистора.
При отсутствии фототока, а значит, и базового тока, транзистор закрыт. Появление фототока вызывает ток базы транзистора, достаточный для того, чтобы ввести транзистор в насыщение. Таким образом, транзистор работает в ключевом режиме (см. параграф 3.
3) и обеспечивает формирование цифровых уровней.
Кроме пар «светодиод — фотодиод» в оптронах используются также пары «светодиод — фототранзистор» и «светодиод — фототиристор». Для оптронной развязки выпускают также готовые микросхемы, содержащие ту или иную оптронную пару, а также транзисторные каскады, обеспечивающие не только формирование двух цифровых уровней напряжения, но и необходимую нагрузочную способность.
На основе оптронной развязки выполняют передачу цифровой информации между гальванически развязанными электронными устройствами в сложных системах обработки информации.
Очень важная функция оптронной развязки — обеспечение взаимосвязи между датчиками и исполнительными устройствами технологической системы и аппаратурой управления технологическими процессами, в основе которой, как правило, используется микропроцессорное вычислительное устройство (см.
параграф 4.4).
Через оптронную развязку осуществляется прием входной информации с датчиков релейного типа (имеющих два устойчивых состояния) и ввод ее в цифровое устройство управления — программируемый логический контроллер, а также выдача управляющих команд на исполнительные механизмы. При этом разность потенциалов, под которыми находятся контроллер и технологическая система, может достигать 500 В.
Релейная развязка широко применяется при коммутации сильноточных цепей управления исполнительными механизмами. Наиболее часто используется подача силового питания на исполнительное устройство (рис. 2.40).
Рис. 2.40. Схема релейной развязки
Если допустимый ток, протекающий через замкнутые контакты реле, недостаточен для обеспечения тока нагрузки, применяют двухтактную релейную развязку, в которой контакты первого реле замыкают цепь обмотки второго сильноточного реле. Последнее может иметь питание от сети переменного тока 220 В и коммутировать трехфазное напряжение.
Такие мощные электромагнитные реле, называемые пускателями, обеспечивают коммутацию электродвигателей и других сильноточных исполнительных устройств.
Промышленные контроллеры, как правило, содержат набор специальных модулей, выполненных на основе электромагнитных реле и обеспечивающих гальваническую развязку контроллера и сильно- точных управляющих цепей.
Трансформаторная развязка применяется при передаче аналоговых сигналов. Как известно, через трансформатор можно передавать импульсные сигналы, поэтому схема трансформаторной развязки (рис. 2.
41) должна содержать устройства преобразования медленно изменяющихся сигналов в импульсный и обратно. Эту функцию выполняют модулятор, стоящий во входной цепи, и демодулятор, устанавливаемый в выходной цепи.
Модулятор обеспечивает преобразование входного напряжения в последовательность импульсов, огибающая которых повторяет форму медленно изменяющегося входного напряжения t/BX.
Рис. 2.41. Схема трансформаторной гальванической развязки
Импульсный сигнал передается через развязывающий импульсный трансформатор, после чего становится гальванически развязанным с цепыо входного сигнала. Демодулятор обеспечивает обратное преобразование импульсного сигнала в медленно изменяющийся выходной сигнал UUhlx.
Оптрон
Различные виды оптронов
Оптопара или оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и, как правило, объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.
Классификация
По степени интеграции
- оптопары (или элементарные оптроны) — состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе)
- оптоэлектронные интегральные схемы, содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них).
По типу оптического канала
- с открытым оптическим каналом
- с закрытым оптическим каналом
По типу фотоприёмника
- с фоторезистором (резисторные оптопары)
- с фотодиодом
- с биполярным (обычным или составным) фототранзистором
- с фотогальваническим генератором (солнечной батарейкой); такие оптроны обычно снабжаются обычным полевым транзистором, затвором которого управляет фотогальванический генератор.
- с фототиристором или фотосимистором.
По типу источников света
- с миниатюрной лампой накаливания
- с неоновой лампой
- со светодиодом
Оптроны с полевым транзистором или фотосимистором иногда именуют оптореле или твердотельным реле.
В настоящее время в оптоэлектронике можно выделить два направления.
- Электронно-оптическое, основанное на принципе фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле внутренним фотоэффектом и электролюминесценцией.
- Оптическое, основанное на тонких эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением и использующее лазерную технику, голографию, фотохимию и т. д.
Существуют два класса оптических элементов, которые можно использовать при создании оптических ЭВМ:
- Оптроны
- Квантооптические элементы.
Они являются представителями соответственно электронно-оптического и оптического направлений.
Тип фотоприёмника определяет линейность передаточной функции оптрона. Наиболее линейны и тем самым пригодны для работы в аналоговых устройствах резисторные оптроны, затем — оптроны с приёмным фотодиодом или одиночным биполярным транзистором.
Оптроны с составными биполярными транзисторами или полевыми транзисторами используются в импульсных (ключевых, цифровых) устройствах, в которых линейность передачи не требуется.
Оптроны с фототиристорами применяются для гальванической развязки схем управления от цепей управления.
Использование
Оптроны имеют несколько областей применения, использующих их различные свойства:
Механическое воздействие
Оптронный координатный счётчик в механической мыши
Оптроны с открытым оптическим каналом, доступным для механического воздействия (перекрытия) используются как датчики во всевозможных детекторах наличия (например, детектор бумаги в принтере), датчиках конца или начала (аналогично механическому концевому выключателю), счётчиках и дискретных спидометрах на их базе (например, координатные счётчики в механической мыши, анемометры).
Гальваническая развязка
Оптроны используются для гальванической развязки цепей — передачи сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты. Некоторые стандартные электрические интерфейсы, например MIDI, предписывают обязательную оптронную развязку.
Различают два основных типа оптронов, предназначенных для использования в цепях гальванической развязки: оптопары и оптореле.
Основное отличие между ними в том, что оптопары, как правило, используются для передачи информации, а оптореле используется для коммутации сигнальных или силовых цепей.
Оптопары
Транзисторные или интегральные оптопары, как правило, применяются для гальванической развязки сигнальных цепей или цепей с малым током коммутации. В качестве коммутирующего элемента используются биполярные транзисторы, цепи управления цифровыми входами, специализированные цепи (например, для управления силовым MOSFET или IGBT — оптодрайверы).
Свойства и характеристики оптопар
Электрическая прочность (допустимое напряжение между входной и выходной цепями) зависит от конструктивного оформления прибора. Оптопары гальванической развязки выпускаются в корпусах DIP, SOP, SSOP, Mini flat-lead. Для каждого типа корпусов характерны свои напряжения изоляции.
Для того, чтобы обеспечить большие пробивные напряжения, необходимо, чтобы конструкция оптопары имела как можно большие расстояния не только между светодиодом и фотоприемником, но так же как можно большие расстояния по внутренней и по внешней стороне корпуса.
Иногда производители выпускают специализированные семейства оптопар, соответствующие международным стандартам безопасности. Эти оптопары характеризуются повышенной электрической прочностью.
Одним из основных параметров, характеризующих транзисторную оптопару, является коэффициент передачи тока. Производители оптопар выполняют сортировку, присваивая в зависимости от коэффициента передачи тот или иной ренкинг, который указывается в наименовании.
Нижняя рабочая частота оптрона не ограничена: оптроны могут работать в цепях постоянного тока. Верхняя рабочая частота оптронов, оптимизированных под высокочастотную передачу цифровых сигналов, достигает сотен МГц.
Верхние рабочие частоты линейных оптронов существенно ниже (единицы—сотни кГц).
Наиболее медленные оптроны, использующие лампы накаливания, фактически являются эффективными фильтрами нижних частот с граничной полосой порядка единиц Гц.
Шумы транзисторной оптопары
Для транзисторных оптопар характерным является появление шума, связанного с одной стороны наличием проходной ёмкости между светодиодом и базой транзистора, с другой стороны наличием паразитной ёмкости между коллектором и базой фототранзистора. Для борьбы с первым типом шумов в конструкцию оптопары вносят специальный экран. Второго типа шумов удается избежать правильно подобрав режимы работы оптопары.
Типы оптопар для гальванической развязки
- Стандартные со входом по постоянному току
- Стандартные со входом по переменному току
- С малыми входными токами
- С высоким напряжением коллектор-эмиттер
- Высокоскоростные оптопары
- Оптопары с изолирующим усилителем
- Драйверы двигателей и IGBT
Примеры применения оптопар
- В телекоммуникационном оборудовании
- В цепях сопряжения с исполнительными устройствами
- В импульсных источниках питания.
- В высоковольтных цепях
- В системах управления двигателями
- В системах вентиляции и кондиционирования
- В системах освещения
- В электросчетчиках
Оптореле
Оптореле (Твердотельные реле), как правило, применяются для коммутации цепей с большим током коммутации. В качестве коммутирующего элемента используется как правило пара встречно включенных MOSFET транзисторов, благодаря чему оптореле способно работать в цепях переменного тока.
Свойства и характеристики оптореле
Оптореле имеют три топологии. Нормально разомкнутые — топология А, нормально замкнутые — топология Б и переключающая — топология С. Нормально разомкнутая топология предполагает замыкание коммутирующей цепи только при подаче управляющего напряжение на светодиод.
Нормально замкнутая топология предполагает размыкание коммутирующей цепи при подаче управляющего напряжения на светодиод. Переключающая топология, как следует из названия имеет комбинацию внутри оптореле нормально замкнутых и нормально разомкнутых каналов.
Стандартными корпусами для оптореле являются DIP8, DIP6, SOP8, SOP4, Mini flat-lead 4.
Аналогично оптопарам, оптореле также характеризуются электрической прочностью.
Типы оптореле
- Стандартные оптореле
- Оптореле с малым сопротивлением
- Оптореле с малым СxR
- Оптореле с малым напряжением смещения
- Оптореле с высоким напряжением изоляции
Примеры применения оптореле
- В модемах
- В измерительных устройствах, IC тестеры
- Для сопряжения с исполнительными устройствами
- В автоматических телефонных станциях
- Счетчики электричества, тепла, газа
- Коммутаторы сигналов
Неэлектрическая передача
На принципе оптрона построены такие приспособления как:
- беспроводные пульты и оптические устройства ввода
- беспроводные (атмосферно-оптические) и волоконно-оптические устройства передачи аналоговых и цифровых сигналов
Также используются в неразрушающем контроле как датчики аварийных ситуаций. GaP-диоды начинают излучать свет при воздействии на них радиации, а фотоприёмник фиксирует возникшее свечение и сообщает о тревоге.
Литература
- Гребнев А. К., Гридин В. Н., Дмитриев В. П. Оптоэлектронные элементы и устройства / Под. ред. Ю. В. Гуляева. — М.: Радио и связь, 1998. — 336 с. — ISBN 5-256-01385-8.
- Розеншер, Э., Винтер, Б.