Dejan PETROVIĆ

1. januar 2021.

Ma koliko oni bili sposobni i žilavi, mikrokontrolere bi trebalo da zaštitimo od nekih stvari. Ako pođemo od Una i ATmega 328p na njemu, viši naponi na ulaznim pinovima su pogubni. Šum sa kalemova motora i releja, takođe može da pravi velike probleme. Kako takve probleme da rešimo? Kako da ih držimo na odstojanju? Jedno od rešenja su optoizolatori (optocoupler). Mi ćemo ih ovom prilikom predstaviti nekoliko, ali svakako ne sve koji mogu da se koriste.

Photocoupler

Ovi optički izolatori u sebi sadrže IR LED i foto-tranzistor. Kada spojimo anodu i katodu optoizolatora sa napajanjem, LED unutar kućišta će zasijati dok će foto-tranzistor to preneti kao zatvoreno kolo. U zavisnosti od konfiguracije, to mogu biti logičke nula i jedinica. Na slici možete videti šematski prikaz ovog optoizolatora. Znamo da sve eksterne komponente moraju da imaju zajedničku GND između sebe da bi sva kola radila. Upotrebom optičkih izolatora tako nešto nije potrebno. Jedan fizički odvojeni strujni krug će upaliti LED, dok će drugi to pročitati. I to potpuno nezavisno. Ovo je, naravno, moguće izvesti i u otvorenoj varijanti, ali uz rizik spoljnih uticaja. Optoizolatori se mogu postaviti tako da preko njih pratimo napon na ulazu i čitamo na izlazu ili da kontrolišući napon na ulazu upravljamo komponentama na izlazu. Vrednost otpornika ispred IR LED direktno utiče na CTR (current transfer ratio) i njime, shodno naponu na ulazu, upravljamo koja će količina svetla pasti na foto-tranzistor.

Ako ste koristili neki od relej-modula, onda ste mogli da vidite jedan 817C koji služi da zaštiti mikrokontroler od namotaja releja. Po pravilu se relej zasebno napaja (obično pet volti, ali može biti i više) dok do optoizolatora šaljemo samo logičku nulu, to jest, kolo je u sink konfiguraciji. Optoizolatori (EL)817(C) serije su sposobni da izoluju napone do 5000 Vrms. Na inputu bi struja trebalo da bude do 60 miliampera, uz povratni napon do šest volti. Output je deklarisan na 50 miliampera, ali i različit napon, u zavisnosti od konfiguracije (kolektor-emiter, emiter-kolektor). Ispod imate uprošćen primer gde do anode i katode dovodimo pet volti preko otpornika od jednog kilooma. Sa druge strane imamo isti takav otpornik, crvenu LED i bateriju od devet volti. Vrednosti otpornika nisu slučajne, pisali smo o tome kada je prvi put bilo reči o LED-ovima, a LED-resistor kalkulatora ima dosta online. U ovom slučaju ne postoji veza između strujnih krugova od pet i devet volti. Autor ovih redova je uz odgovarajući otpornik i grec, bez problema povezivao 220 volti sa Unom. Najčešća primena je, rekosmo, kod releja, gde na sve ovo dodajemo još par komponenata. Ova integralna kola dolaze u varijantama sa više kanala (1, 2, 3 i 4).

Vrlo česti su i TLP521-x koje proizvodi Toshiba. Ovi optoizolatori dolaze sa jednim, dva ili četiri kanala i u prepoznatljivom su, belom kućištu. Potpuno se isto koriste kao i 817 iznad, ali imaju drugačije karakteristike. IR LED možemo napajati naponima od pet do 24 volta, dok je maksimalna struja na kolektoru deset miliampera. Sve ovo treba uzeti u obzir prilikom odabira otpornika.

Optocoupler Phototransistor

Grupi za nijansu složenijih optoizolatora pripada 4N35. U šestopinskom pakovanju imamo galijum-arsenid IR LED sa jedne strane i ovaj put foto-tranzistor (NPN). Osim za upravljanje relejima i detekciju mrežnog napona, ovi optoizolatori se koriste i kod prekidačkih napajanja, detekcije zvona telefona, logičkog spajanja sa izvorom visokofrekventnog šuma i uopšte izolacije. Tehničke karakteristike su slične kao na 817, a to se odnosi i na izolaciju napona od 5000 Vrms. Iako u osnovi 4N35 ima foto-tranzistor sa tri izvoda, možemo ga koristiti i u identičnoj konfiguraciji kao na primeru iznad, koristeći kao izlaze kolektor i emitor. Ako koristimo i bazu, tada njome upravljamo osetljivošću, menjajući vrednosti otpornika, najčešće preko GND.

Optocoupler Photodarlington

O Darlingtonovom nizu je bilo reči kada smo pisali o ULN2003 (SK 7/2020, i.sk.rs/28264). Optoizolator sa Darlingtonovim nizom sadrži u sebi, pored IR LED i foto-tranzistora i običan tranzistor u nizu. To je konfiguracija poput one na ULN2003. Optoizolator iz Vishaya 4N33 koji imamo, dolazi u belom kućištu, ima veoma veliki CRT i do 500%/min. Takođe dolazi u DIP6 pakovanju. S obzirom na to da znamo kako funkcioniše Darlington niz, ovo i ne čudi. Na ulazu može primiti struju do 60 miliampera, dok na izlaznom kolektoru to ide do 100 miliampera. Testirana izolacija između emitora je 5300 Vrms. S obzirom na to da sam Darlingtonov niz ima veći provodljivi izlaz napona, poredeći ga sa običnim tranzistorom, ovakvi optoizolatori se najčešće koriste u situacijama gde je potrebno generisati veću količinu struje na izlazu. Kao i varijante iznad, ovaj optoizolator se uglavnom koristi kod jednosmernih struja.

Optocoupler Phototriac

Ovakvi optoizolatori se uglavnom sastoje od, sada već standardne, galijum-arsenid IR LED i silikonskog dvostranog prekidača, triaka. Najčešće se upotrebljavaju za kontrolu elektro-ventila, balasta za lampe, kod vezivanja mikrokontrolera sa mrežnim naponom, kao i za kontrolu motora. Fairchildov MOC3021 koji imamo, takođe je u belom DIP6 pakovanju. Od ovih šest pinova, koriste se samo četiri. Na ulazu ka LED možemo da pustimo struju do 60 miliampera, uz tri volta povratnog napona. Na izlazu možemo dovesti i do 400 volti, uz jedan amper struje. Upravljajući sa MOC3021 putem digitalnog PWM, možemo direktno da kontrolišemo jačinu osvetljenja sijalice, brzinu motora i slično. Primer za običnu sijalicu imamo ispod.

Optoizolatori foto-triaci mogu da se koriste i sa naizmeničnom strujom, međutim, primerci poput MOC3021 ne mogu detektovati Zero-Crossing, odnosno „nulti prelaz”. Reč je o trenutku kada sinusoida naizmenične struje preseca nula volti, to jest, kada u jednom mikro trenutku ne postoji napon. Ipak, ima ih koji to mogu.

Optocoupler Phototriac, Zero-Crossing

Još jedan optoizolator iz Vishay kuhinje je BRT23. Ovaj optoizolator, pored IR LED, ima i foto-osetljivi tiristorski sistem sa ugrađenim sistemom za eliminaciju šuma i detekciju nultog prelaska. Sistem omogućava okidanje strujama od 1,2 miliampera uz opterećenje i do 800 volti. Za detekciju nultog prelaska staraju se dva MOSFET-a i foto-dioda. Kao i kod primerka iznad, BRT23 može da se koristi za kontrolu otpornog, induktivnog ili kondenzovanog naizmeničnog napona. To uključuje motore, solenoide, triake, tiristore i SSR (solid state relay). Ostale karakteristike se ne razlikuju mnogo od klasičnih foto-triak optoizolatora.

SSR

Posebnu grupu čine SSR, solid state releji. Praktičnu primenu nalaze svuda, a vrlo česti su u pomenutim prekidačima. Na stolu imamo Omronov SSR G3MB-202P, koji se inače više ne proizvodi, ali je i te kako prisutan na tržištu (barem kao kopija). Ovaj SSR sa pet volti jednosmerne struje na ulazu može da prekida 240 volti pri dva ampera naizmenične struje na izlazu. Dolazi u tankom pakovanju, pa je zgodan za kreiranje niza. Od dodatnih komponenata, potrebna su samo dva otpornika i jedan tranzistor. Ako se odlučite za custom verziju pametnog prekidača (SK 6/2018, 7/2018, i.sk.rs/15124, i.sk.rs/15191), osim klasičnih releja koje smo mi koristili u DIY, možete ići i na SSR. Pritom, imajte u vidu da je dva ampera maksimum opterećenja. Za sijalice, prethodna rečenica je nebitna.

Home made

Prilično funkcionalan optički izolator možemo da napravimo i u kućnoj varijanti koristeći IR LED, foto-diodu i izolir traku. Ako ste čitali o IR brojaču (SK 11/2019, i.sk.rs/16277), tada smo koristili IR modul i znate o čemu pričamo. Ideja je da te iste diode usmerimo jednu u drugu i tako ih obmotamo izolir trakom ili upotrebimo termoskupljajući bužir. Kada na IR diodu dovedemo napon, foto dioda će sa druge strane zatvoriti svoj strujni krug. Princip je potpuno isti kao na 817 sa početka ovog teksta.