Простая опторазвязка для осциллографа

Автор: sathv
Опубликовано 09.02.2019
Создано при помощи КотоРед.

При настройке устройств для сети 220В часто хочется увидеть результат работы,- моменты отсечек, выбросы напряжения, искажения синусоиды или меандра. Но использовать осциллограф с автономным питанием не хочется,- из-за случайно не учтенной утечки дорогой прибор может быть мгновенно и безвозвратно выведен из строя. Он и не решит проблемы,- при пробое символической изоляции его корпуса можно оказаться под напряжением. При таких измерениях лучше использовать развязку с помощью линейных оптопар или ШИМ преобразователя. А если под рукой не окажется готовых решений или необходимых деталей, можно обойтись и чем-нибудь попроще. Например распространенными оптопарами 4N33, включенными не совсем обычным образом; собранная на них мостовая схема оказалась настолько не плоха, что возникло желание поделиться ей и попытаться понять ее работу .
Принцип работы схемы показан на рисунке 1.

Излучатели оптопары и резисторы образуют мост, в диагональ A-B которого подается измеряемое напряжение, в другую, C-D- смещение для ик-диодов. Если мост сбалансирован (когда измеряемый сигнал не велик), напряжения друг на друга не влияют. Транзисторы оптопар включены по схеме дифференциального усилителя. Небольшие токи в диагонали A-B меняют ток через диоды оптопар противоположным образом, что в свою очередь изменяет ток транзисторов и усиленное напряжение снимается с коллекторной нагрузки одного из них. Коэффициент передачи такой схемы оказался около нескольких В/мА, линейность амплитудной характеристики до +/- 1В, что позволяет рассмотреть осциллограмму. При этом сохраняется постоянная составляющая входного напряжения.
Оптопара- очень нелинейное устройство, управляемое током единицы или десятки милиампер, может преобразовывать сигналы от десятых долей вольта с высокоомным входом (около 10 КОм) и линейностью аналоговой оптопары. Это возможно,- оказалось, что излучатели оптопар 4N33 начинают работать при токе около 100 мкА; он задается источником смещения в диагонали C-D, а небольшие изменения измеряемого тока (сотни мкА) изменяют коллекторный ток . Оптопара с транзистором Дарлингтона имеет коэффициент передачи до 500%. Получаем для dI=100мкА 100мкА х 1 КОм х 5 = 0,5 В и коэффициент передачи 0,5 / 0,1 = 5 В/мА,- прикидочный расчет не так сильно отличается от реальности. А линейность достигается за счет использования оптопар в высокомных цепях, здесь нелинейность диодов не имеет значения, они управляются током.
Включение транзисторов оптопар по схеме дифференциального усилителя дает возможность сохранить постоянную составляющую измеряемого напряжения, если снимать напряжение на коллекторе транзистора относительно точки Е (точнее, это не дифусилитель, а просто каскады с противофазными выходами для формирования в точке Е ноля по постоянной составляющей входного сигнала). Разбалансировка моста не изменит напряжение между коллектором и точкой Е поскольку U(E)=(U(K1)+U(K2))/2 , а уход рабочей точки оптопар изменит напряжение в точке Е на ту же величину, что и на коллекторах транзисторов.
Схема опторазвязки показана на рисунке 2.

Почти все детали относятся к входному делителю и преобразователю напряжения. Чтобы не рисовать длинных соединений, оптопары изображены раздельно, VT1,VD1-первая , VT2,VD2- вторая. К частотным свойствам не предъявлялось особых требований, поэтому полоса пропускания развязки составляет от ноля до 1000 Гц, коррекция АЧХ делителя нужна для компенсации емкости монтажа высокоомных цепей и компенсации ухудшения частотных свойств оптопары при малых токах и большом сопротивлении в цепи коллектора (см. дейташит). Для уменьшения наводки от преобразователя в цепи база-эмиттер транзисторов включены блокирующие конденсаторы. Переменное сопротивление служит для регулировки тока смещения излучателей оптопар и установки в точке Е напряжения примерно равного потенциалу на общем проводе опторазвязки (где соединяются -5В и +7В),- точность здесь не требуется. Схема преобразователя взята из интернета, для питания развязки используются два последовательно включенных Li-Ion аккумулятора самой маленькой емкости. Главное, получше изолировать обмотку преобразователя 8-7, питающую цепь смещения излучающих диодов. Класс точности деталей входного делителя не имеет значения, они требуют подбора и доводки импульсной характеристики на собранной схеме (если необходимо).
Осциллограммы с опторазвязкой показаны на рис.3 (тиристорный регулятор),
рис.4 (синусоида генератора), рис.5(меандр генератора).

Несмотря на изоляцию опторазвязки, слабые емкостные связи остаются, поэтому провод от точки А входного моста желательно подсоединять к нулевому проводу (который не разрывается тиристором или транзистором), иначе входная цепь развязки будет под пульсирующим напряжением + , - 310В (для сети 220В) и коммутация будет сопровождаться короткими импульсами на входе осциллографа.
Эта конструкция не задумывалась как измерительный прибор. Получился индикатор для наблюдения за формой и длительностью низкочастотных импульсных напряжений в изолированных от земли цепях.

Все вопросы в Форум.