Запитываемая от входного сигнала оптопара обеспечивает изолированное управляющее напряжение

Оптоизолятор обеспечивает оптоизоляцию для управляющего напряжения и всегда находится под напряжением питания.

Схема на рис.1 обеспечивает изолированное управляющее напряжение, в диапазоне 0 В...10 В. В нижней части диапазона, от 0 В до, приблизительно, 2 В, управляемое устройство выключено. Поэтому, верхняя часть диапазона должна быть как можно более линейной. Данные условия можно выполнить, используя линейную аналоговую оптопару, такую как IL300 компании Vishay или HCNR200 (HCNR201) компании Avago Technologies.

Каждая из этих оптопар содержит в своем составе свето- и фотодиод на передающей стороне и, идентичный светодиоду на передающей стороне, светодиод на приемной стороне. Вследствие такой конструкции, излучаемый светодиодом свет, должен вызывать один и тот же ток в обоих светодиодах. Ток через светодиод на приемной стороне, прямой ток I_FF, является выходным током, и этот ток необходимо установить пропорциональным напряжению сигнала, V₁.

Этот ток равен обратному току, I_FB, протекающему через фотодиод на передающей стороне. Обратная связь на излучающей стороне оптопары обеспечивает строгую пропорциональность этого тока передаваемому сигналу. Когда прямой ток равен обратному току, выходной ток пропорционален передаваемому сигналу.

Источником скрытых финансовых затрат является, однако, источник питания. На обеих сторонах передачи сигнала требуется некоторая мощность. Схема в этой дизайн-идее использует в качестве напряжения питания напряжение V₁, чтобы запитать цепи обратной связи на передающей стороне, наподобие того, как некоторые схемы в цепи токовой петли 4…20 мА берут питание от тока этой петли. Оба фотодиода работают в обратном включении, в режиме фотопроводимости. Ток через них пропорционален падающему световому потоку, который описывается коэффициентами обратной, K₁, и прямой, K₂, передачи.

(1)

где ILED – это ток через светодиод, и

(2)

Описание схемы начнем с суммы постоянных токов в узле A.

(3)

Через коллекторы обоих транзисторов течет усиленный ток I_B1 базы транзистора Q₁. Затем усиленный ток протекает через светодиод.

(4)

Уравнения с 1 по 4 описывают выходной ток обратной передачи сигнала:

(5)

Когда составляющая коэффициента обратной связи K₁ и коэффициенты передачи тока транзисторов 1 и 2 больше, чем единица, можно скомпенсировать коэффициент усиления транзисторов, приведя передаточную характеристику к линейной:

(6)

Соотношение между коэффициентом обратной передачи K₁ и прямой передачи K₂ есть коэффициент преобразования K₃. Поскольку K₁ и K₂ примерно равны, K₃ приблизительно равен единице. В действительности, значение K₃ может отличаться, Но это изменение меньше, чем изменение отдельно K₁ или K₂:

(7)

В уравнении 6 из входного напряжения вычитается падение напряжения на переходе база-эмиттер. Поскольку напряжение база-эмиттер не постоянное, его желательно удалить. Эту задачу можно выполнить, используя эмиттерный повторитель в схеме приема сигнала. Выходное напряжение, V₂, является суммой напряжений на резисторе R₃ и напряжения на эмиттерно-базовом переходе Q₃.

(8)

Для расчета прямого выходного тока можно использовать разностное уравнение:

(9)

Уравнения 8 и 9 можно переписать в виде:

(10)

В первом приближении в уравнении 10, соотношение резисторов R₃ и R₁ составляет, приблизительно, 1-к-1. Следует быть внимательным при выборе коэффициента, K₃, поскольку имеются основания предполагать, что K₃ переходит в уравнение 11.

(11)

Где K₃ - есть, а напряжения V_BE1 и V_BE3 до некоторой степени компенсируют друг друга.

Поэтому, согласно уравнению 11, второе слагаемое в уравнении 10 сокращается. Ток базы I_B3 зависит от сопротивления резистора R₄ и тока нагрузки. При установке обоих токов базы одинаковыми, последнее слагаемое, также, должно сократиться. Значение сопротивления резистора R₂ и емкости конденсатора C₁ должны быть достаточно малыми для того, чтобы транзисторы Q₁ и Q₂ не входили в режим насыщения. Конденсатор C₁ повышает стабильность.

На рис.2 показано напряжение, необходимое для нормальной работы схемы. Выходное напряжение (верхняя кривая) имеет плоские вершины в своей нижней части, в отличие от входного напряжения (нижняя). На рис.3 показана линейность двух сигналов. Отношение измеренных максимумов напряжения V₁ и V₂ составляет 0.91 В. Тестовая схема содержит микросхему IL300, которая имеет коэффициент передачи от 0.851 до 0.955. Измерения соответствуют требованиям уравнения 11, несмотря на упрощения уравнения.