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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Optokoppler linear betreiben


Autor: Andreas Castor (acastor)
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Hallo,

ich habe den Thread "Doppelte Basisisolierung" hier mal abgespalten, um 
das Design selbst zu besprechen.

Ich habe vor, den OK linear zu betreiben, d.h. eine Halbwelle am Eingang 
möchte ich auch als Halbwelle am Ausgang des OK sehen und dabei den 
Bereich des ADC von 0 bis 3V möglichst gut ausnutzen.

Zum Einsatz kommen soll ein TLP281, für den ich allerdings kein 
Spicemodell habe, daher hier ein 217 (weiss jemand übrigens, wo ich ein 
Modell für den 281 herbekomme, Toshiba hat keine).

Ziel ist es, Spannungen zwischen 80Veff und 280Veff mit einer 
Genauigkeit von +/-5% vom Maximalwert messen zu können. Ich beschränke 
mich bewusst auf eine Halbwelle, um das Design einfach zu halten.

Die 1N4148 habe ich mittlerweile durch eine !N4006 ausgetauscht, das 
sollte wohl reichen.

Der Ansatz über einen regulären linearen OK hat außer dem Preis für mich 
noch einen zweiten Nachteil: ich bräuchte noch einmal eine 
Versorgungsspannung für den Transistor im OK auf der primären Seite.

Wie seht ihr das, kann man das so realisieren?

Gruß
Andreas

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Andreas Castor (acastor)

>Ich habe vor, den OK linear zu betreiben,

Das macht amn sinnvollerweise nur mit dafür gebauten linearen 
Optokopplern.

>Ziel ist es, Spannungen zwischen 80Veff und 280Veff mit einer
>Genauigkeit von +/-5% vom Maximalwert messen zu können.

Das Problem ist vor allem die Alterung der LED im Optokoppler.

>noch einen zweiten Nachteil: ich bräuchte noch einmal eine
>Versorgungsspannung für den Transistor im OK auf der primären Seite.

Darum wirst du wahrscheinlich nicht herum kommen. Nimm doch einfach 
einen Minitrafo, der tut es auch und altert nicht.

MFG
Falk

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Das geht nicht so einfach, weil OK sehr starke Exemplarstreuungen und 
zudem Alterungsabhängigkeiten haben. Da hilft es auch nicht, wenn du es 
in der Simulation einmal (1-mal) gerade so hintrickst.

Die "übliche" Beschaltung ist, den OK mit einem OpAmp anzusteuern, in 
dessen Rückkopplungspfad der Fototransistor ist. Mit der Beschaltung im 
DB des  IL300 kannst du auch mit anderen billigen Dual-OK zum ziel 
kommen...

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Googple findet soviele Schaltungen für

linear opto isolator

die genau das Problem des TE angehen.


Z.B. hier


http://www.vishay.com/optocouplers/opto-linear/

Autor: Andreas Castor (acastor)
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Andrew Taylor schrieb:
> Googple findet soviele Schaltungen für
>
> linear opto isolator
>
> die genau das Problem des TE angehen.
>
>
> Z.B. hier
>
>
> http://www.vishay.com/optocouplers/opto-linear/

danke, habe ich gesehen, sprengt aber den Preisrahmen. Der OK darf nicht 
mehr als 30 Cent kosten bei 25000 pa. Ich suche also eine billige 
Lösung.

Gruß
Andreas

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Ich suche also eine billige Lösung.
Es ist nicht sehr viel billiger, wenn du jede Steuerung abgleichen mußt.
Und sich die Werte mit der Lebensdauer trotzdem ändern  :-o

Nimm 2 OpAmps, einen Dual-OK, und beschalte die ähnlich wie in dem 
Datenblatt vom IL300. Billiger gehts nicht...

BTW:
Warum kommen solche Randinformationen (Preis, Größe, 
Temperaturbereich...) immer erst hinterher?

Autor: Andreas Castor (acastor)
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Lothar Miller schrieb:
>> Ich suche also eine billige Lösung.
> Es ist nicht sehr viel billiger, wenn du jede Steuerung abgleichen mußt.
> Und sich die Werte mit der Lebensdauer trotzdem ändern  :-o
>
> Nimm 2 OpAmps, einen Dual-OK, und beschalte die ähnlich wie in dem
> Datenblatt vom IL300. Billiger gehts nicht...
>
> BTW:
> Warum kommen solche Randinformationen (Preis, Größe,
> Temperaturbereich...) immer erst hinterher?

Damit löse ich aber doch das Problem der Alterung der LEDs nicht, die 
altern doch nicht synchron...

Außerdem habe ich noch das Problem, dass einer der Transistorausgänge 
galvanisch im Primärkreis hängt und ich dann wieder 8mm Abstand zum 
Sekundärkreis einhalten muss, der aber diesmal auf der gleichen Seite 
des OK einen Pin weiter liegt...

Ich muss also zwei getrennte OKs nehmen...
Versorgung des Transistor im primärkreis muss auch aus dem Primärkreis 
erfolgen, zB über einen Gleichrichten und eine Zenerdiode nebst C...

Muss ich mal ausprobieren, melde mich wieder...

Gruß
Andreas

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Die Alterung der LED kann drastisch reduziert werden, indem man viel 
weniger wie die matramaessigen 20mA runterlaesst. zB 2mA.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Lothar Miller schrieb:
>
> BTW:
> Warum kommen solche Randinformationen (Preis, Größe,
> Temperaturbereich...) immer erst hinterher?


Weil uns sonst das "deja vue" in diesem Forum fehlen würde ??

Ist doch hier im Forum in fast jedem "wir suchen eine spezielle 
Lösung"-Thread ,-)

Autor: Peter L. (peterl)
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Für Spannungsmessung kannst du statt deinem Optokoppler, auch einen Y2 
(z. B. 2,2nF) Kondensator verwenden, dann auf einen OpAmp.

Autor: Peter L. (peterl)
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Verzeihung, Y1 natürlich!

Autor: Ollz (Gast)
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Man kann die Kompensation eines billigen Optokopplers mit einem zweiten 
baugleichen Optokoppler machen (Schaltung im Prinzip wie bei einem 
linearen OK, nur dass man die LEDs beider OKs zusammen ansteuert).

Was dabei rauskommt hängt stark von der Expemplarstreuung und 
Abweichungen bei der Alterung ab. Wahnsinnig toll ist das Ergebnis 
nicht. Ob sich zwei billige OKs statt einem linearen OK rechnen und ob 
die damit erzielbare Linearität über die Zeit ausreicht musst du dir 
selber ausrechnen.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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@Andreas
>danke, habe ich gesehen, sprengt aber den Preisrahmen. Der OK darf nicht
>mehr als 30 Cent kosten bei 25000 pa. Ich suche also eine billige
>Lösung.

Wird das ein Spielzeug für den chinesischen Markt?

Bei allem Respekt, aber das ist doch völliger Quatsch. Was denkst du, 
was du am Ende sparst, wenn du einen Kunden verlierst, nur weil dein 
Teil Murks macht?

Kai Klaas

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Es geht auch ohne linearen Optokoppler. Man muss nur das Signal vorher 
mit einem einfach Delta-Sigma Modulator in eine Rechteckfolge umwandeln. 
Danach kann man fast jeden Feld u. Wiesen Optokoppler nehmen. Am Ausgang 
braucht man das Signal nur durch einen einfachen RC-Tiefpass zu schicken 
und hat wieder sein urspruengliche Analogsignal. Das ganze kann man aber 
auch direkt auf einen Prozessor geben und das Filter digital erzeugen. 
So hat man in einem einen ADC mit galvanischer Trennung.

Gruss Helmi

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Sehr nett, Helmut!

R2 x C1 = R3 x C3 ? R3 >> R4 ? Der rechte Tiefpaß sollte dann wohl auch 
mit einem 74HCMOS-Ausgang gertieben werden, weil sonst R4 das Ergebnis 
verfälscht? (Die GNDs links und rechts sind natürlich getrennt?)

Hast du das schon mal so gemacht? Wo gibt es da Probleme?

Kai Klaas

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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>Der rechte Tiefpaß sollte dann wohl auch
>mit einem 74HCMOS-Ausgang gertieben werden

Ich wollte zuerst mal nur das Prinzip dieser Potentialtrennung 
veranschaulichen. Du hast recht das man das Ausgangssignal erstmal mit 
einem HCMOS Ausgang auf Vorderman bringen sollte.

>(Die GNDs links und rechts sind natürlich getrennt?)

Richtig hatte ich zu spät bemerkt.

>Hast du das schon mal so gemacht? Wo gibt es da Probleme?

Ja ich habe damit schon mal einen Trennverstärker aufgebaut. Es hat 
dabei keine Probleme gegeben.

Gruss Helmut

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Helmut,

>>Der rechte Tiefpaß sollte dann wohl auch
>>mit einem 74HCMOS-Ausgang gertieben werden

>Ich wollte zuerst mal nur das Prinzip dieser Potentialtrennung
>veranschaulichen. Du hast recht das man das Ausgangssignal erstmal mit
>einem HCMOS Ausgang auf Vorderman bringen sollte.

>>(Die GNDs links und rechts sind natürlich getrennt?)

>Richtig hatte ich zu spät bemerkt.

Das war ja auch eher an die Ungeübten gerichtet und garnicht so sehr an 
dich. Einfach, um jedes Mißverständnis auszuschließen.

Danke noch mal für deinen Beitrag!

Kai Klaas

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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@Kai

Ich hatte dich auch nicht so verstanden.


Wie in meinen 1. Beitrag angedeutet kann man den 2. Tiefpass auch 
digital in einem Prozessor machen und hat dann Trennung und ADC in 
einem.

Gruss Helmut

Autor: Marcus Woletz (mwoletz)
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Andreas Castor schrieb:
> Andrew Taylor schrieb:
>> Googple findet soviele Schaltungen für
>>
>> linear opto isolator
>>
>> die genau das Problem des TE angehen.
>>
>>
>> Z.B. hier
>>
>>
>> http://www.vishay.com/optocouplers/opto-linear/
>
> danke, habe ich gesehen, sprengt aber den Preisrahmen. Der OK darf nicht
> mehr als 30 Cent kosten bei 25000 pa. Ich suche also eine billige
> Lösung.

Ist das ein Zeitgeistproblem, dass immer nur nach billigen und nie nach 
preiswerten Lösungen gesucht wird? Jedenfalls hoffe ich, Du bist Dir der 
Problematik der Primärseite und galvanischen Trennung bewusst. Z.B. 
sollte man bei der Montage des OK dringend den notwendigen Abstand 
zwischen Sender- und Empfängerseite beachten. Aber ich denke, bei 25.000 
Stück pro Jahr hast Du da genügend sicherheitstechnisches Know How oder 
Fachpersonal.

>
> Gruß
> Andreas

ciao

Marcus

Autor: Marcus Woletz (mwoletz)
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Helmut Lenzen schrieb:
> Es geht auch ohne linearen Optokoppler. Man muss nur das Signal vorher
> mit einem einfach Delta-Sigma Modulator in eine Rechteckfolge umwandeln.

Für den OP wohl noch zu teuer.

ciao

Marcus

Autor: Ulrich (Gast)
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Weil beim Eigangssignal was von Veff steht, sollte es wohl 
Wechselspannung sein. Da kann man einen Trafo nehmen. Notfalls ein 0,5 
VA Netztrafo.

Wenn die Spannung einigermaßen Sinusförmig ist, könnte man die Spannung 
auch in eine Pulslänge umwandeln und dann einen normalen digitalen 
Ooptokoppler nehmen. Das wird zwar leicht nichtlinear, aber das könnte 
man auf der anderen Seite ja digital wieder geradebiegen.

Eine alte methode Spannungen galvanich getrennt zu messen, ist es 
Kapazitätdioden zu nehmen und die über eine HF Trafo zu messen. Ist so 
eine Art frühes RFID.

Autor: Stephan (Gast)
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Hi Leute

kann mir einer erklären wie in der Schaltung von Helmut Lenzen das IC1 
und IC2 zusammen arbeiten. (inklusive R2 und C1)

Danke.
Stephan

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Stephan,

>kann mir einer erklären wie in der Schaltung von Helmut Lenzen das IC1
>und IC2 zusammen arbeiten. (inklusive R2 und C1)

Also, auf der linken Seite hast du einen Komparator, der dauernd die vom 
D-FlipFlop über R1 und C2 erzeugte Spannung mit der Eingangsspannung 
vergleicht. Durch die Wirkung der Rückkopplung von R1 und C2 folgt die 
Spannung am "-"-Eingang immer der Eingangsspannung am "+"-Eingang. Wird 
die gleiche Impulsfolge des D-FlipFlops nun auf einen weiteren 
RC-Tiefpaß mit identischer Zeitkonstante gegeben, muß dessen 
Ausgangsspannung mit der Spannung am "-"-Eingang des Komparators exakt 
übereinstimmen. Da aber diese eine Kopie der Eingangsspannung am 
"+"-Eingang ist, kannst du damit die Eingangsspannung auf die rechte 
Seite des Optpkoppler kopieren.

So eine Schaltungsfunktion findest du am einfachsten heraus, wenn du 
bestimmte Eingangssignale durchspielst. Also, nimm mal an, am 
"+"-Eingang hast du einen Spannungssprung von 0V nach 1V. Wenn am 
"-"-Eingang des Komparators also auch um die 0V lag, dann geht der 
Ausgang des Komparators auf "High". Mit 74HC14, einem sehr schnell 
schwingenden Oszillator, wird diese Information an den Ausgang des 
D-FlipFlops transportiert. Also hast du auch dort einen High-Pegel. Das 
bewirkt, das der Kondensator C1 aufgeladen wird.

Beim nächsten Takt des 74HC14 ist der Komparator immer noch auf "high", 
also wird wieder ein "High" an den Ausgang des D-FlipFlops übernommen, 
und C1 weiter aufgeladen.

Das Ganze ändert sich, wenn die Spannung an C1 nun größer geworden ist 
als die Eingangsspannung. Dann schaltet der Komparator auf "Low". Dies 
wird mit dem nächsten Takt des 74HC14 an den Ausgang des D-FlipFlops 
übernommen und bewirkt jetzt ein Entladen des Kondensators C1. Solange, 
bis der Komparator wieder umschaltet. usw. usw. usw.

Letztlich folgt durch dieses Schema die Spannung an C1 der 
Eingangsspannung, wobei die Spannung an C1 aber daurend um den korrekten 
Wert hin- und herspringt. Theoretisch kann der Fehler beliebig klein 
gemacht werden, wenn die Taktfrequenz vom 74HC14 und die Zeitkonstante 
von R1 und C2 sehr hoch gewählt werden. Vorraussetzung ist ein 
hochwertiger Komparator und ein störungsarmer Aufbau, damit die 
schnellen Schaltspikes nicht den Komparator stören und Fehltriggerungen 
verursachen.

Kai Klaas

Autor: Stephan (Gast)
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Danke für die Antwort

mfg
Stephan

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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@Kai Klaas

Gut erklärt. Hätte ich nicht besser machen können.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Helmut,

>Gut erklärt. Hätte ich nicht besser machen können.

Danke! Hatte schon fast ein schlechtes Gewissen deine Schaltung zu 
erklären...

Kai Klaas

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Naja hatte heute auch etwas wenig Zeit dazu.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Theoretisch kann der Fehler beliebig klein gemacht werden...
> Vorraussetzung ist ein hochwertiger Komparator und ein störungsarmer
> Aufbau ...
und zudem ein sehr schnell schaltender Optokoppler...

Denn die Spannung wird in eine Zeit umgewandelt.
Und diese Zeit wird vom Optokoppler verfälscht, weil tr >> tf.
Das verstärkt den bereits beschriebenen Effekt der unterschiedlichen 
Zeitkonstante durch R3,R4,C3 verglichen mit C1,R2.

Autor: faraday (Gast)
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ich will ja nicht kritisieren, aber einige R1-C2 sollten doch bestimmt 
R2-C1 heißen.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Richtig :-o
R1+C2 sind eigentlich ziemlich unwichtig...
Sie bestimmen nur die maximale Schaltgeschwindigkeit. Das ist die 
Abtastfrequenz, schneller als diese Oszillatorfrequenz kann sich der 
Pegel nicht ändern. Die relevante Zeitkonstante wird über das 
Komparator-RC-Glied C1+R2 bestimmt.

EDIT:
Schöner wäre eine Gruppierung R1+C1 und R2+C2 gewesen... ;-)

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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@ Lothar Miller (lkmiller)

>Schöner wäre eine Gruppierung R1+C1 und R2+C2 gewesen... ;-)

Haste recht. Habe ich nicht drauf geachtet oder ich schiebe die Schuld 
einfach Eagle in die Schuhe .

Gruss Helmi

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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@ Helmi:
> ich schiebe die Schuld einfach Eagle in die Schuhe .
Lassen wir mal so gelten ;-)

> Ja ich habe damit schon mal einen Trennverstärker aufgebaut.
Welche Übertragungsbandbreite hast du damit realisiert? 0Hz - ??Hz?
Welche Genaugkeit hast du erreicht (8Bit, 10Bit, 12Bit)?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Faraday,

>ich will ja nicht kritisieren, aber einige R1-C2 sollten doch bestimmt
>R2-C1 heißen.

Du hast vollkommen Recht!

Im gesamten ersten Abschnitt und im letzten Satz habe ich das irgendwie 
vertauscht. Da muß es statt "R1 und C2" richtig "R2 und C1" heißen!

Tut mir leid...

Kai Klaas

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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>Welche Übertragungsbandbreite hast du damit realisiert? 0Hz - ??Hz?
>Welche Genaugkeit hast du erreicht (8Bit, 10Bit, 12Bit)?

Das waren 12Bit und ca. 200Hz. Allerdings habe ich die Schaltung noch 
etwas verbessert. Die Schaltung oben ist nur eine Prinzipschaltung. 
Anstatt einfache CMOS Gatter zu nehmen habe ich als Ausgang 
Analogschalter genommen und die Schalter an eine stabile Referenz 
angebunden. So ist die Ausgangsspannung auch nicht von der 
Versorgungsspannung des Gatter abhaengig. Als Optokoppler habe ich einen 
schnellen Datenoptokoppler genommen (PC410 von Sharp). Das ganze war in 
einem Hutschienengehauese montiert. Dazu noch einen Sperrwandler fuer 
die Versorgung.

Gruss Helmi

Autor: faraday (Gast)
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Hallo Kai,
die Anmerkung war auch nur für "Anfänger" gedacht, um Verwirrungen 
auszuschließen. Daß Du das weißt, ist mir klar.

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