Optocsatolós relévezérlés működése
A különböző vezérléstechnikai folyamatok külső indítása vagy működés közbeni módosítása a vezérlés jellegétől függően kézi és/vagy automatikus módon előállított jelekkel történik.
A vezérlésekhez való hozzáférés legegyszerűbb lehetőségét a gyártók a vezérlő készülékek kétállapotú jelek fogadására alkalmas bemeneteivel biztosítják.
A következőkben a kétállapotú vezérlőjelekkel fogunk foglalkozni, melyek elsősorban az időreléknél fordulnak elő változatos formában.
A bemeneti lehetőségek ismerete főleg akkor válik fontossá, amikor fix, nem módosítható vezérlőszerv (nyomógomb, kapcsoló, végállás-kapcsoló, stb.) és/vagy adott vezérlőfeszültség áll rendelkezésre, melyhez pl. időrelét kell illeszteni.
De a választásnál több más szempont is szóba jöhet, mint pl. a jel nagysága, AC vagy DC típusa, fel- és lefutása, impulzus- vagy folytonos jellege, - utóbbiak főként az időrelé funkcionális választékával vannak összefüggésben, tehát funkciót is keresni kell.
Mindent figyelembe véve látható, hogy bizonyos esetekben nem is olyan egyszerű kiválasztani a megfelelő vezérlőt vagy időrelét.
A vezérlőjel bemenetek típusai több szempont alapján különböztethetők meg.
Egyik ilyen szempont, hogy a bemenet galvanikusan le van-e választva a készülék tápfeszültségétől.
Egy másik szempont lehet, hogy milyen potenciállal történik a vezérlés.
A kettő összemosódik, ugyanis a galvanikusan nem leválasztott vezérlő bemenetek jellemzően valamelyik tápfeszültség potenciállal működnek, míg a leválasztottak jellemzően segédfeszültséggel, mely független lehet a tápfeszültségtől.
Egy harmadik bemenet típus a száraz kontaktust fogadó bemenet, ahol külső feszültség nem kapcsolható a bemenetre, csupán a két bemeneti pontot kell zárni vagy nyitni.
Kötött potenciállal vezérelhető időrelék
Az első ábrán összegyűjtöttük azokat a tipikus és gyakran használt moduláris időreléket, melyek bemenetei kötött potenciállal vezérelhetők.
A kötött potenciál azt jelenti, hogy mindig az „A1” sorkapocshoz csatlakoztatott tápfeszültség potenciálja szolgáltathatja a vezérlőjelet, mert a készülék elektronikája az „A2” sorkapocs potenciáljához képest figyeli az „S” vezérlő bemenet potenciálváltozását.
Mivel a leggyakrabban használt AC 230 V tápfeszültségnél mindegy, hogy „A1” vagy „A2” a fázis vagy a nulla, ezért a tápfeszültség bekötésével az alkalmazáshoz igazítható a vezérlő potenciál.
Univerzális időrelék optocsatolóval
A következő ábrán bemutatott időrelék AC/DC 12 - 240 V között bármilyen feszültséggel vezérelhetők.
A Jeep Index Relé Hibás Működése
Az ilyen univerzális és a külső tápfeszültségtől galvanikusan leválasztott bemenetek jellemzően optikai csatolókkal vannak megoldva.
Az optikai csatolók a be- és kimeneti oldal közötti kapcsolatot infravörös jellel teremtik meg, mely a galvanikus leválasztást is megoldja.
Az elektronika világában a jelek biztonságos és megbízható továbbítása alapvető fontosságú.
Gyakran azonban olyan helyzetek adódnak, amikor két áramkörnek kommunikálnia kell egymással, de különböző földpotenciálon vannak, vagy jelentős feszültségkülönbségek állnak fenn közöttük.
Ilyenkor a közvetlen elektromos kapcsolat veszélyes lehet, zajt generálhat, vagy akár károsíthatja az eszközöket.
Erre a problémára kínál elegáns és hatékony megoldást az optocsatoló, más néven optoizolátor.
Az optocsatoló, mint neve is sugallja (optikai csatoló), optikai úton valósítja meg a jelátvitelt.
Ez a technológia lehetővé teszi a galvanikus leválasztást, ami azt jelenti, hogy nincs közvetlen elektromos vezető összeköttetés a bemenet és a kimenet között.
A modern elektronikus rendszerekben a komplexitás növekedésével párhuzamosan nő az igény az ilyen típusú elválasztásra.
Gondoljunk csak a nagyfeszültségű ipari berendezésekre, a precíziós orvosi műszerekre, vagy a kommunikációs rendszerekre, ahol a jeltisztaság és az integritás kritikus.
Az optocsatoló működése viszonylag egyszerű, mégis zseniális elven alapul: az elektromos jelet fénnyé alakítja, a fényt továbbítja egy szigetelő közegen keresztül, majd a fényt visszaalakítja elektromos jellé.
Az optocsatoló főbb részei:
- Bemeneti szakasz (fénykibocsátó): Ez általában egy fénykibocsátó dióda (LED), amely a beérkező elektromos jelet fénnyé alakítja. Amikor áram folyik át a LED-en, az a bemeneti áram erősségével arányos fényerősséggel világít.
- Szigetelő közeg (optikai csatorna): Ez egy átlátszó, dielektromos anyag (például üveg, műanyag vagy levegő), amely elválasztja a LED-et a fotodetektortól. Ennek a közegnek az a feladata, hogy biztosítsa a magas dielektromos szilárdságot, ami ellenáll a nagy feszültségkülönbségeknek anélkül, hogy elektromos áram folyna át rajta.
- Kimeneti szakasz (fényérzékelő): Ez egy fotodetektor, amely érzékeli a LED által kibocsátott fényt, és azt visszaalakítja elektromos jellé. A fotodetektor típusa nagymértékben befolyásolja az optocsatoló jellemzőit, mint például a sebességet, az áramerősítést és a kimeneti jelleget.
Az optocsatolók alaptípusai integrált áramkör formájában, pl. DIP tokozással kaphatók.
A tokba egy infra adó diódát és egy IR vevő foto tranzisztort integrálnak.
Az optocsatolót kiegészítve megfelelően méretezett, nem túl bonyolult ellenállás-kondenzátor-dióda hálózattal alkalmassá válik széles feszültségtartomány fogadására, mint pl. a jelezett AC/DC 12 - 240 V.
Mivel az optocsatolós bemeneti áramkör önálló feszültségbemenetként működik - nincs közös potenciálja a többi áramkörrel -, ezért a vezérlőfeszültség mindkét potenciálját be kell vezetni ebbe a szekunder áramkörbe, hogy az optocsatoló diódája ki tudjon nyitni.
Amikor a bemeneti oldalon egy elektromos jel (áram) érkezik, a LED fényt bocsát ki.
Ez a fény áthalad a szigetelő közegen, és eléri a fotodetektort a kimeneti oldalon.
A fotodetektor érzékeli a fényt, és ennek hatására áramot generál, vagy megváltoztatja az ellenállását, ami a kimeneti áramkörben egy elektromos jelet hoz létre.
Ez a „fényhíd” biztosítja, hogy a bemeneti és kimeneti oldalon lévő potenciálkülönbségek, zajok vagy feszültségtüskék ne jussanak át a másik oldalra.
Az optocsatolók kiválasztásakor és tervezésekor számos paramétert figyelembe kell venni, amelyek meghatározzák az eszköz teljesítményét és alkalmazhatóságát.
Fontos paraméterek:
- Áramátviteli arány (CTR): A CTR az optocsatoló egyik legfontosabb paramétere. Ez a kimeneti áram (I_OUT) és a bemeneti LED áram (I_F) aránya, százalékban kifejezve: CTR = (I_OUT / I_F) * 100%. A CTR értéke jelentősen eltérhet az optocsatoló típusától függően. Fotodióda kimenetnél nagyon alacsony (0,1-1%), fototranzisztornál jellemzően 20-2000%, míg fotodarlington kimenetnél akár 1000%-nál is magasabb lehet. A CTR nem lineáris, és függ a bemeneti áramtól, a hőmérséklettől és az eszköz élettartamától.
- Leválasztási feszültség (VISO): Ez az a maximális feszültség, amelyet az optocsatoló bemeneti és kimeneti oldala között elviselhet anélkül, hogy dielektromos áttörés következne be. Jellemzően kV (kilovolt) nagyságrendű érték. Fontos a biztonsági szabványok (pl. UL, VDE) betartása, amelyek meghatározzák az adott alkalmazáshoz szükséges minimális leválasztási feszültséget.
- Közös módusú elnyomás (CMR): A CMR az optocsatoló képességét írja le, hogy mennyire képes elnyomni a bemeneti és kimeneti oldalak közötti gyors feszültségváltozásokat (tranzienseket), amelyek közös módusú zajként jelentkeznek. A nagy CMR érték azt jelenti, hogy az optocsatoló kevésbé érzékeny a zajra, és megbízhatóbban továbbítja a jelet zajos környezetben is.
- Sebesség: Az optocsatoló sebességét a be- és kikapcsolási idők (t_on, t_off), valamint a jel terjedési késleltetése (t_PHL, t_PLH) jellemzi. A fotodiódás kimenetű optocsatolók a leggyorsabbak (néhány ns), míg a fotodarlington kimenetűek a leglassabbak (néhány µs).
- Maximális bemeneti áram (IF(max)): A LED-en átfolyó maximális áram, amelyet az eszköz károsodás nélkül elvisel.
- Maximális kimeneti áram és feszültség: A kimeneti szakasz által kapcsolható maximális áram és feszültség.
- Szivárgási áram (ICEO): A kimeneti oldalon folyó kis áram, amikor a LED ki van kapcsolva (nincs fény). Ideális esetben ez nulla lenne, de a valóságban mindig van egy minimális szivárgás.
- Működési hőmérséklet: Az a hőmérsékleti tartomány, amelyen belül az optocsatoló a specifikációknak megfelelően működik.
- Tokozás: Az optocsatolók számos tokozásban elérhetők, például DIP (Dual In-line Package), SMD (Surface Mount Device) és SOIC (Small Outline Integrated Circuit).
Ezen paraméterek gondos mérlegelése elengedhetetlen a megfelelő optocsatoló kiválasztásához egy adott alkalmazáshoz.
Az optocsatolók rendkívül sokoldalú eszközök, és a kimeneti szakasz típusától függően számos változatuk létezik.
Főbb típusok:
- Fototranzisztoros optocsatoló: Ez a legelterjedtebb és legáltalánosabb típus. Működés: Amikor a bemeneti LED fényt bocsát ki, az a fototranzisztor bázisát megvilágítja, ami kollektor-emitter áramot generál. Közepes sebesség: Néhány mikroszekundum a be- és kikapcsolási idő.
- Fotodarlington optocsatoló: Működés: A bemeneti fény egy fototranzisztort vezérel, amelynek kimenete egy második tranzisztor bázisát hajtja meg.
- Fotodiódás optocsatoló: Működés: A fény hatására a fotodióda áramot generál. Rendkívül gyors sebesség: Néhány nanoszekundum. Alkalmazás: Nagy sebességű adatkommunikáció (pl.
- Fototirisztoros vagy Fototriac optocsatoló: Működés: A bemeneti fény hatására a tirisztor vagy triac bekapcsol, és vezeti az áramot. A tirisztor csak egy irányban, a triac mindkét irányban képes vezetni az AC jelet.
- Integrált logikai kimenetű optocsatoló
- Lineáris optocsatoló: Működés: Ezek általában két fotodiódát tartalmaznak a kimeneti oldalon. Az egyik a visszacsatoló hurokban van, a másik a kimeneti oldalon.
Az optocsatolók sokoldalúsága és a galvanikus leválasztás képessége révén rendkívül széles körben alkalmazhatók az elektronika különböző területein.
Alkalmazási területek:
- PLC (Programozható Logikai Vezérlő) I/O modulok: Az optocsatolók leválasztják a PLC érzékeny digitális áramköreit a terepi eszközök (szenzorok, aktorok, motorok) zajos és potenciálisan veszélyes áramköreitől.
- Motorvezérlők: Változó frekvenciájú hajtásokban (VFD) és szervó meghajtókban az optocsatolók biztosítják az elválasztást a vezérlő logika és a nagyfeszültségű IGBT/MOSFET kapumeghajtó áramkörök között.
- Kapcsolóüzemű tápegységek (SMPS): Visszacsatoló hurok (feedback loop): Az optocsatolók biztosítják a feszültségszabályozó visszacsatolást az SMPS kimeneti (alacsony feszültségű) oldaláról a bemeneti (magas feszültségű) oldalra, miközben fenntartják a galvanikus elválasztást a biztonság és a hatékonyság érdekében.
- Kommunikációs interfészek: Modemek és hálózati interfészek (pl. RS-232, RS-485 és más soros kommunikáció: Hosszú kábeleken történő adatátvitel esetén a földpotenciál-különbségek és a zaj problémákat okozhatnak.
- Akkumulátor kezelő rendszerek (BMS): Cellafeszültség mérés: Az optocsatolók leválasztják az egyes akkumulátorcellák feszültségmérő áramköreit a központi vezérlőegységtől, amely gyakran a földpotenciálon van.
Ez az optocsatolók legfőbb előnye. Képesek akár több kV-os feszültségkülönbségeket is elviselni a bemeneti és kimeneti oldal között, megakadályozva az áramütést, a földhurkokat és a túlfeszültség okozta károkat.
Mivel a jelátvitel optikai úton történik, az optocsatolók rendkívül ellenállóak a közös módusú zajokkal szemben, amelyek gyakoriak az ipari környezetben vagy hosszú kábelek esetén.
Szilárdtest eszközökként nincsenek mozgó alkatrészeik, ellentétben az elektromechanikus relékkel.
Jellemzően kompakt méretűek, ami helyet takarít meg a nyomtatott áramköri lapon.
Könnyen illeszthetők különböző feszültségszintű áramkörök közé (pl.
Számos optocsatoló rendelkezik nemzetközi biztonsági tanúsítványokkal (pl.
A LED fénykibocsátó hatásfoka az idő múlásával, különösen magas hőmérsékleten és nagy bemeneti áramok mellett, fokozatosan csökken.
Ez a CTR degradáció azt jelenti, hogy a kimeneti áram csökkenhet az eszköz élettartama során, ami potenciálisan hibás működéshez vezethet.
Az optocsatolók paraméterei, különösen a CTR, érzékenyek a hőmérsékletre.
Magasabb hőmérsékleten a CTR csökkenhet, ami befolyásolhatja a jelátvitel megbízhatóságát.
Bár léteznek nagy sebességű optocsatolók, általánosságban elmondható, hogy a sebességük korlátozottabb, mint a közvetlen elektromos kapcsolaté vagy más digitális leválasztási technológiáké (pl. kapacitív vagy mágneses leválasztók).
A LED működéséhez áramra van szükség a bemeneti oldalon.
Az optocsatolók kimeneti szakasza csak korlátozott áramot képes kapcsolni (általában néhány tíz mA-től néhány száz mA-ig).
tags: #relé #vezérlés #optocsatolóval #működés