Научно-исследовательская часть

Теоретическая часть

Введение

Для начала дадим определение оптрона. Оптрон (или оптопара) – электронный прибор, состоящий из излучателя света, обычно используется светодиод, и фотоприемник (биполярный и полевые фототранзисторы, фотодиоды, фоторезисторы и т.д), связанных оптическим каналом и, как правило, объединенных в одном общем корпусе [27]. Принцип работы заключается в следующем: электрический сигнал, поступающий на вход микросхемы преобразуется светодиодом в световую энергию, которая впоследствии преобразуется обратно в электрический сигнал с выходных пинов.

В основном оптроны используются для гальванической развязки цепей, что означает передачу сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты.

 

Постановка задачи

В данной работе будем рассматривать оптроны, заключенные в корпусе микросхемы на примере оптопары HCPL-3120/J312 компании производителя Avago Technologies, функциональная схема которой приведена на Рисунке 58 [28].

Рисунок 58. Функциональная схема опртрона HCPL-3120/J312

 

Микросхема исполнена в восьмивыводном DIP корпусе. Излучателем является светодиод, а приемником интегральная схема (IC) с фотодиодом.

Главной проблемой всех оптронов являются шумы транзисторной пары. Связано это с наличием проходной емкости между светодиодом и базой транзистора (Рисунок 59 [28]) и наличием паразитных емкостей между анодом светодиода и выходной землей и между катодом светодиода и выходной землей. Первую проблему можно решить с помощью специального экрана (Фарадеевский экран), а вторую с помощью правильно подобранных режимов работы оптопары и грамотного включения оптрона в электрическую схему. Сбои могут произойти из-за разницы потенциалов на земельных шинах, так как они являются гальванически развязанными. Значение этой разницы потенциалов называется common mode voltage (Vcm) или в русскоязычной литературе – напряжение синфазного сигнала [29]. Об этой величине будет рассказано ниже, но именно она является источником непроизвольного переключения оптрона или наведения шумов. В данной работе приводится решение и техническая реализация подключения оптопары в электрическую схему, чтобы минимизировать уровень наводок и придать системе стабильность, исключить непроизвольные переключения даже при значительных отклонениях потенциалов земли.

Рисунок 59. Паразитные емкости

 

Синфазные сигналы могут возникнуть по разным причинам. Наиболее распространенной и показательной является ситуация в цепи управления полного моста (H-bridge) или Н-моста. На Рисунке 60 показана схема полного моста с блоком управления и драйверами затворов силовых MOSFET транзисторов для управления двигателем постоянного тока.

Рисунок 60. Схема полного моста

Полные мосты обычно применяются для регулировки скорости электрических двигателей и в импульсных источниках питания.

Краткое описание работы и устройства полного моста: пара транзисторов A1 и B1 подключаются истоком к стоку второй пары транзисторов A2 и B2. Обмотка двигателя располагается в месте соединения двух пар транзисторов, как показано на схеме. Состоянием транзисторов управляют драйвера затворов, которые в свою очередь управляются блоком управления. Когда пара транзисторов А открыта, пара транзисторов B должна быть закрыта и наоборот при смене полярности.

Синфазное напряжение в этой схеме возникает по следующей причине: драйверы затвора согласуются одновременно с цифровой землей и общей точкой полного моста (на схеме обозначены цифрами 1 и 2), которые являются гальванически развязанными. Из-за того, что общие точки являются «плавающими» по напряжению, что означает их значение потенциала может меняться в течение работы схемы, при резкой смене полярности (пара транзисторов А открывается, а пара транзисторов B закрывается или наоборот) возникают колебания напряжения, а значит возникает разница потенциалов между двумя гальванически развязанными землями. В некоторых системах такие колебания напряжения могут оказаться критическими и достигать кратковременно амплитуду в 500В при двуполярном питании +250В и – 250В.