Hallo zusammen!
Am Wochenende bastelte ich auf Lochrasterkarte eine Probeschaltung,
wobei ich mit einem µC mit PWM-Ausgängen experimentiere. Um die
Schaltung galvanisch vom µC-Board zu trennen, damit ich es nicht
versehentlich töte, bzw. weil ich auch auf der Lochrasterkarte mal eine
viel höhere Betriebsspannung als 5V verwenden möchte, verwende ich da
uralte Siemens SFH601-1. Es macht nichts, daß die SFH601-1 uralt sind,
die sind datenmäßig und vom Pinning mit dem bekannten CNY17 identisch,
ist vielleicht ein Vorgänger (Bauteilstempel 1985) oder Siemens-interne
Bezeichnung. Sowas gibt es ja.
Notfalls habe ich noch neue CNY17-4 mit besserem Koppelfaktor, wenn alle
Stricke reißen, und dies erfolgversprechend sein könnte. Aber die
SFH601-1 tun es zunächst genau so gut.
Es soll nur etwas Spielerei für die Experimentierfreude sein, mehr
nicht. Und zwar möchte ich über die PWM des µC auf der Lochrasterkarte
höhere Leistungen verbraten, z.B. mal Glühlampen ansteuern, oder über
eine Schaltdrossel und geschlossener Regelschleife mit dem ADC im µC
eine Spannungsregelung per Software bauen.
Die Spannungsregelung fand ich auf dem PICkit1, sie erzeugen da per
Software die geregelte Programmierspannung 13V aus 5V von USB zum
Flashen der Bausteine. Genial einfach, die Hardware ist nur eine Spule,
Diode, Transistor, und Ladekondensator an einem µC-Pin. Die Software ist
ein PID-Regler, will da mal etwas mit solchen Dingen spielen,
Regelverhalten analysieren. Aber auf dem 8051, nicht PIC.
Die Lochrasterkarte besteht im Augenblick nur aus 4 Optokopplern, einem
ULN2003 Darlington-Array, mit 4 LEDs dran. Eingangsseite der Optokoppler
mit Vorwiderständen auf 1,6mA begrenzt, wegen der geringen
Pintreiberleistung des µC. Die Ausgangsseite der Optokoppler ohne
Vorwiderstände über 5V direkt am ULN2003. Die internen Vorwiderstände im
ULN2003 werden mit als Pulldown-Widerstände benutzt, bewegen sich etwas
oberhalb von 3kOhm. Laut Datenblatt des ULN2003 passt das auch so. Am
Oszi sehen die Signalpegel auch einwandfrei aus.
Leider gibt es aber eine ultralange Turn-Off-Zeit von sagenhaften 60µs,
die Turn-On-Zeit geht mit 3µs ja noch. Aus dem Datenblatt habe ich was
mit 20µs, aber bei Maximalstrom. Das ist auch klar, daß er bei
geringeren Strömen langsam wird.
Jetzt zur Sache:
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Das Datenblatt beinhaltet keine weitere Info zu Schaltungsvorschlägen am
Optokoppler, besonders im Hinblick auf die am Baustein heraus geführte
Basis des Ausgangstransistors, die aber für eine ganz einfache
Standardübertragung stets unbeschaltet bleibt.
Leider fand ich auch noch keine konkreten Schaltungsvorschläge, wo die
Basis mit einbezogen ist. Ich vermute mal, daß sie beschaltet werden
kann, um den Optokoppler im Linearbetrieb zu betreiben. Evtl. sogar im
Schaltbetrieb. Laut Datenblatt ist er im Linearbetrieb auch wesentlich
schneller als im Schaltbetrieb, aber das ist bei Transistoren klar.
Ob man da was machen kann? Vielleicht stolperte einfach mal jemand über
eine Schaltung im Internet, die für mich interessant wäre. Sonst muß ich
mit der langen Abschaltzeit leben, das geht notfalls.
Ich dachte mal daran, im Schaltbetrieb die Basis mit einem RC-Glied im
Bereich 1µs zu beschalten, um bei Abschaltung die Basisladung schneller
auszuräumen...
Meine PWM hat eine Auflösung bis zur halben Quarzfrequenz des µC, das
geht also bis 167ns herunter, und ich wollte da nicht allzu viel
verschenken. Und das bei dem ollen 80C517, das haben sie gut gemacht.
Immerhin fand ich den CNY17 mal in LTspice, werde mich damit auch noch
mal beschäftigen.
Ich möchte jetzt einfach mal nur meine einfache simple Lochrasterkarte
retten, ohne da noch aufwändige Analoghardware hinzu zu fügen. Da ist
jetzt nachträglich auch kein Platz mehr drauf. Mir war es anfangs
einfach nicht so bewußt, als ich mal was ganz einfach nur galvanisch
trennen wollte.
Du kannst den Optokoppler statt als Fototransistor im Fotodioden Betrieb
betreiben. Also die Kollektor Basis Diode benutzen. Dazu benötigst du
allerdings einen Verstärker dahinter. Wenn du dafür sorgst das nichts in
die Sättigung kommt solltes es schneller werden.
Silvio K. schrieb:> Nimm nen 6N137.
Danke auch für deinen Vorschlag. Selbstverständlich weiß ich, daß es am
Markt sicher was besseres gibt, als den Inhalt meiner Bastelsortimente.
Ich experimentiere und spiele einfach ein wenig mal mit Optokopplern,
weil ich das bisher nie tat. Es geht da weder um Hochleistung, noch
Termin- oder Projektdruck. Durch die Geschichte hier lerne ich
allenfalls was dazu. Mir war vorher der Analogbetrieb der Bausteine
nicht so bewußt, und glaubte, ne einfache Digitalübertragung mit
Schaltbetrieb und ohne weiteren Aufwand genügte. So findet man es auch
immer in Schaltungsbeispielen.
@Elena:
Danke für die Links, ein Widerstand von der Basis nach Masse bringt
tatsächlich auch schon eine Verbesserung.
@Helmut:
Die Basis-Kollektor-Diode verwenden, scheint der springende Punkt zu
sein. Das bringt schon eine Verbesserung der Schaltzeiten um den Faktor
3. Allerdings sind die Ausgangsströme da sehr schwach (µA), und brauchen
auf jeden Fall Verstärkung.
Ich habe heute mal etwas mit LTspice simuliert und verschiedenes
probiert, es führen da wohl viele Wege nach Rom. Die CNY17 sind da
fertig in der Bauteilbibliothek. Da denke ich jetzt mal nach, ob ich den
Ausgangstransistor direkt als Analogverstärker betreiben kann, ob ich
ihn invers betreiben kann, einen einstufigen
Transistor-Wechselstromverstärker nachschalte, Komparator, OP,
CMOS-Gatter mit Schmitt-Trigger, was auch immer. Irgendwas in der Art
geht sicher.
Andererseits kann man auch den Eingang (IF) verstärken, denn bei
maximalem Strom der LED wird die Schaltzeit auch klein. Allerdings, wer
möchte heute eine Schaltung, wo die Optokoppler 100mA Strom verzehren?
Sowas wollte ich auf jeden Fall ganz vermeiden. Aber, ich habe für alle
Fälle noch CNY17-4, die brauche ich gegen die SFH601-1 einfach nur
auszuwechseln, da pinkompatibel.
Auf jeden Fall ist es gut, daß ich mich mal für die Optokoppler mit
heraus geführter Basis entschied. Die anderen (4-Pinner) kann man
wirklich nur im Schaltbetrieb sinnvoll verwenden, aber nichts mehr groß
ausrichten.
>Ich habe heute mal etwas mit LTspice simuliert und verschiedenes>probiert, es führen da wohl viele Wege nach Rom.
Kaskodenschaltungen werden gerne noch genommen, um die Schaltzeiten zu
beschleunigen:
http://www.cel.com/pdf/appnotes/an3009.pdf
Elena schrieb:>>Ich habe heute mal etwas mit LTspice simuliert und verschiedenes>>probiert, es führen da wohl viele Wege nach Rom.>> Kaskodenschaltungen werden gerne noch genommen, um die Schaltzeiten zu> beschleunigen:>> http://www.cel.com/pdf/appnotes/an3009.pdf
Vielen Dank! Das war bis jetzt das beste, was mir begegnete. Sehr
aufschlußreiche Info. Ich setzte es gleich mal in LTspice um, und hänge
hier für den Fall, daß es jemanden interessieren könnte, die Schaltung
und den Graphen als Bild mit an.
Wenn jemand meine Simulationsdatei zu LTspice haben möchte, bitte
Bescheid sagen. Die lade ich auch gerne mal hoch.
Zu den Graphen:
grün: Eingangsspannung des Optokopplers
blau: Ausgangsspannung ohne weitere Maßnahmen
rot: Kaskodeschaltung und Basiswiderstand
hellblau: Einfache Verwendung der Kollektor-Basis-Diode
rosa: Ausgangsspannung nur mit Basiswiderstand
Die Kombination Kaskodeschaltung und Basiswiderstand (rot) ist die
beste.
Was man sonst an den Graphen noch sieht: Und zwar könnte ich jetzt in
der Nähe von Masse und VCC Komparatoren anbringen, die dort an den
Punkten schnell schalten.
Aber so weit wollte ich es nicht treiben. Ich werde noch mal mit einem
wechselstromgekoppelten Einfachstverstärker experimentieren. Der sollte
Flanken auch schnell erkennen.
Das Gebilde aus 3 Widerständen und 2 Dioden rechts unterhalb der
Optokoppler ist die Eingangsschaltung des ULN2003, auf einfache Weise,
wobei die Dioden die BE-Strecken der Darlington-Konfiguration
darstellen. Das sollte für hier genügen. Diese schalten etwa zwischen
1,5 und 3V, je nach Last, mehr muß ich da zunächst nicht wissen. Denn
einen ULN2003 fertig fand ich in der Library nicht. Und was da später
als Last dran kommt, weiß ich auch noch nicht ganz genau. Aber gerne mal
was bis zu 500mA. LEDs mit ca. 5mA sind jetzt aktuell da dran.
In der Turn-On-Time ist aber die Einfachstschaltung ohne Zusatzbauteile
noch am besten. Das einzige Problem ist also die Turn-Off-Time.
Hallo Wilhelm es geht noch ein bisschen schneller.
Ich komme da auf unter 2 us.
Koennte jetzt wieder ein neuer Wettbewerb werden :-)
Hatten wir schon mal mit TTL Gatter Oszillatoren.
Marco S schrieb:> Wenn es nicht auf den Strom ankommt, ist bei folgender Basisschaltung> eher die Turn-On Zeit das Problem.
Ah, da kennt sich jemand aus, und hat schon erweiterte
Schaltungstechnik.
Vielen Dank!
Q1 ist wohl auch eine Art Kaskodeschaltung, die seltener gebrauchte
Basisschaltung des Transistors. Wobei die Basisspannung über die 2
Dioden und C1 etwas zeitlich stabilisiert ist. Aber die Schaltzeiten im
Graphen, mann, das ist doch schon was!!!
Helmut, auch vielen Dank. Da kommt ja noch was.
Ich wäre mal gespannt, wie weit wir mit den lahmen Ausgangsbausteinen
noch kämen. Bei geeigneter und aufwändiger Schaltungstechnik sicherlich
noch in den Nanosekunden-Bereich...
> Koennte jetzt wieder ein neuer Wettbewerb werden :-)> Hatten wir schon mal mit TTL Gatter Oszillatoren.
Wenn du möchtest, schreib mal was dazu, finde ich interessant.
Ich machte mit CMOS-Gattern schon mal analoge Verstärker und
Oszillatoren. Das ist jetzt kein Quatsch, mit einem CMOS-Gatter kann man
tatsächlich einen simpelsten Analogverstärker bauen. Die Beschaltung
gleicht der eines invertierenden OP. Der hat natürlich keine besonderen
Eigenschaften, aber für manche einfache Dinge reicht es. So ähnlich
arbeitet auch die Eingangsschaltung beim Quarz an µC, haben ein
invertierendes Gatter als Energielieferant. Und der arbeitet analog, wie
man sieht, wenn man da mit dem Oszi dran geht. Der weiß nur im
Mittelpunkt nicht genau, wohin er schalten soll...
Ich habe für den Basis-Anschluss bezahlt, dann muss ich ihn auch
ordentlich benutzen! :o)
(Basierend auf einer Schaltung von Vernon P. O'Neil, Motorola.)
Servus,
sehr effektiv ist auch die Beschaltung des OC mit einer kleinen
Schottky-Diode (SD101 o.ä.), zwischen Basis und Kollektor (K an
Kollektor!).
Damit wird verhindert, daß der Transistor in die Sättigung geht und das
Ausschalten geht dann viel schneller!
Kein Geschwindigkeitsrekord, aber symmetrische Verzögerungen beim An-
und Abschalten, und nur wenige Bauteile.
(Und wie die meisten Vorschläge doch ohne Basis.)
Ich seh hier bei den ganzen Schaltungen immer nur ein einfachen R zur
Ansteuerung der LED. Müsste man hier nicht auch noch was rausholen
können?
Wie wäre es mit einem kleinen C (z.B. 10nF) parallel zum R vor der LED?
Helmut L. schrieb:> Hallo Wilhelm es geht noch ein bisschen schneller.> Ich komme da auf unter 2 us.>> Koennte jetzt wieder ein neuer Wettbewerb werden :-)>> Hatten wir schon mal mit TTL Gatter Oszillatoren.
Ich sage es mal so: Je höher und konstanter Vce des OC, um schneller ist
das Abschaltverhalten. Einige wenige us sind ohne große Tricks zu
bewältigen.
Thomas E. schrieb:> Servus,>> sehr effektiv ist auch die Beschaltung des OC mit einer kleinen> Schottky-Diode (SD101 o.ä.), zwischen Basis und Kollektor (K an> Kollektor!).> Damit wird verhindert, daß der Transistor in die Sättigung geht und das> Ausschalten geht dann viel schneller!
Optokoppler verstärken den Leckstrom CB, sättigen also nie (und kommen
nie unter 0.7V Spannungsabfall).
MaWin schrieb:> Optokoppler verstärken den Leckstrom CB, sättigen also nie (und kommen> nie unter 0.7V Spannungsabfall).
Warum sollte der Fototransistor nicht sättigen, wenn der Fotostrom hoch
genug und der Kollektorstrom vergleichsweise klein ist? Und genau das
wird auch im Datenblatt spezifiziert.
Sättigung tritt nur auf bei UB > UC, und das kann nicht sein, wenn UB
aus UC gewonnen wird (wie beim Darlington).
Bei benutztem B(asis) Anschluss kann man natürlich von aussen in die
Sättigung schalten, daher vielleicht die Datenblattangabe.
Was auch immer Vishay mit
Fig 3 Fig. 4 - Non-Saturated Switching
Fig 5 Fig. 6 - Saturated Switching
meint, die Halbleiterphysik sagt, daß der Transistor in den Schaltungen
nicht sättigt (nicht sättigen kann) und beide Schaltungen aus Sicht des
Transistors vollkommen identisch sind, es ist eine Reihenschaltung und
die Bauteile wissen nicht, in welcher Reihenfolge sie ein einer
Reihenschaltung sitzen.
Ich sag mal: Vishay erzählt Unsinn.
MaWin schrieb:> die Halbleiterphysik sagt, daß der Transistor in den Schaltungen> nicht sättigt (nicht sättigen kann)
Und was macht der Transistor hier?
Clemens L. schrieb:> MaWin schrieb:>> die Halbleiterphysik sagt, daß der Transistor in den Schaltungen>> nicht sättigt (nicht sättigen kann)>> Und was macht der Transistor hier?
Saettigen.
Die Basis-Emitterspannung durch die beleuchtete BE Photodiode bewirkt
eine positive Spannung zwischen Basis und Kollektor, was ein Kennzeichen
der Saettigung ist.
Die "Photodiode" zwischen Kollketor und Basis kann auch in der
Fotovoltaischen Mode gehen, also als Spannungsquelle und Energiequelle
dienen. Dann kommt der Ohototransistor auch nich die Sättigung.
Bei der LED zum Treiben könnte man tatsächlich ggf. einen Kondensator
parallel zum Widerstand haben. Alternativ auch eine Diode parallel um
die LED schneller aus zu schalten. In der Regel wird das aber nicht so
viel bringen im Vergleich zur besseren Beschaltung des Empfängrs, denn
die LEDs sind schon relativ schnell. Ob es was bringt kann man ggf.
schon am Revrese Recovery verhalten sehen. Da sieht man die Verzögerung
ziehmlich direkt.
Und die Basis kann man doch benutzen!
Motorola schreibt in "AN571A: Isolation Techniques Using Optical
Couplers":
> The circuit in Figure 19 is a simple pulse amplifier using pos-> itive, ac feedback into the base of the 4N26. The advantage> of the feedback is in faster switching time. Without the feed-> back, the pulse rise time is about 2.0 µs, but with the positive> feedback, the pulse rise time is about 0.5 µs.
Servus,
ich würde diese ganzen LT-Spice-Spielereien mit Vorsicht genießen, d.h.
erstmal davon ausgehen, daß die tollen Werte im realen Leben so nicht
erreichbar sind! Nach meinen Tests gibt es bei den LT-Spice
Optokopplern, ganz im Gegensatz zu dem realen Modellen, offenbar gar
keine Sättigungseffekte des Transistors. Nimmt man z.B. eine
Standard-Schaltung, z.B. 4N26, E an Masse, C über 1k an +5V, beginnt die
Spannung am Kollektor unmittelbar nach dem Abschalten des LED-Stroms zu
steigen! Der echte 4N26 braucht da etliche Mikrosekunden, bis der
Transistor aus der Sättigung kommt...
Da hast Du natürlich Recht, die Grenzen der SimulationsModelle sollte
man nicht aus dem Auge verlieren. So ist das mit dem Unterschied
zwischen Theorie und Praxis: Theoretisch gibt es keinen!
Thomas E. schrieb:> Der echte 4N26 braucht da etliche Mikrosekunden, bis der> Transistor aus der Sättigung kommt...
nicht nur der, ich wunderte mich warum meine RS232 Trennung bei 115kBaud
nicht wollte. Nach dem Abfall an der IR LED wurde der Trasi einfach
nicht schnell genug freigeräumt, ein niederer pulldown half.
Thomas E. schrieb:> ich würde diese ganzen LT-Spice-Spielereien mit Vorsicht genießen, d.h.> erstmal davon ausgehen, daß die tollen Werte im realen Leben so nicht> erreichbar sind!
Natürlich. Aber schnell was zusammenklicken geht halt schneller. ;-)
> Nach meinen Tests gibt es bei den LT-Spice Optokopplern, ganz im> Gegensatz zu dem realen Modellen, offenbar gar keine Sättigungseffekte> des Transistors.
Wobei LTSpice eigentlich dazu in der Lage sein sollte ...
Und in den mitgelieferten Modellen steht der größtmögliche CTR-Wert
drin.
Aber eine schnelle Schaltung versucht eh, Sättigung zu vermeiden.
Anbei echte Messungen für die Schaltung aus
Beitrag "Re: Optokoppler Schaltzeiten beschleunigen (z.B. CNY17)".
Soweit ich sehe, ist die Simulation bis auf den optimistischen CTR
ziemlich korrekt.
Clemens L. schrieb:> Wobei LTSpice eigentlich dazu in der Lage sein sollte ...
Ich war auch ein wenig überrascht, als ich das letztens erst zufällig
gemerkt habe! Scheint auch nur bei den Optokopplern so zu sein,
"normale" bipolare Transistoren sättigen offenbar auch in LTSpice.
> Aber eine schnelle Schaltung versucht eh, Sättigung zu vermeiden.>> Anbei echte Messungen für die Schaltung aus> Beitrag "Re: Optokoppler Schaltzeiten beschleunigen (z.B. CNY17)".> Soweit ich sehe, ist die Simulation bis auf den optimistischen CTR> ziemlich korrekt.
Eben, weil hier die Schaltung die Sättigung des OC-Transistors
vermeidet, gibt es keinen großen Unterschied zwischen Simulation und RL.
Eine Komparator-Schaltung ist aufwändiger als ein Transistor, aber die
meisten Mikrocontroller haben schon einen integrierten Komparator (oft
auch mit flexibler Referenzspannung).
Schon in der zweiten Antwort hat helmi1 den Betrieb als Fotodiode
erwähnt.
Die Kollektor-Basis-Fotodiode hat immer noch eine größere Kapazität als
eine auf Geschwindigkeit optimierte, 'echte' Fotodiode.
(Und es gibt schnellere Komparatoren.)
Clemens L. schrieb:> Diese 2 µs machen den Kohl auch nicht fett.
Stimmt - kein sehr spektakulärer Unterschied. Ich vermute, der
Unterschied wird größer, wenn man den Optokoppler mit höherem Strom mehr
in die Sättigung treibt. In den 80ern habe ich mal mit 4N26 ein MIDI
Interface gebastelt, da hat die Diode schon ein paar µs mehr gebracht,
sonst hätte ich einen anderen Koppler nehmen müssen.
Thomas E. schrieb:> In den 80ern habe ich mal mit 4N26 ein MIDI Interface gebastelt,> da hat die Diode schon ein paar µs mehr gebracht
In der Tat. (Obwohl das für MIDI immer noch grenzwertig ist.)
Interessant! Scheint also auch stark vom Optokoppler-Typ abzuhängen, ob
die Diode viel nützt. Wobei beim Vergleich der Bilder CNY17 vs. 4N25
auffällt, daß beim CNY17 die fallende Flanke viel weicher bzw. langsamer
ist. Hat der vielleicht ein kleineres CTR als der 4N25? Wie wohl das
Signal aussehen würde, wenn die fallende Flanke beim CNY durch mehr
LED-Strom ähnlich wie die beim 4N25 aussehen würde...? (oder durch
weniger beim 4N25 auf die Form vom CNY trimmen?)
Thomas E. schrieb:> Interessant! Scheint also auch stark vom Optokoppler-Typ abzuhängen, ob> die Diode viel nützt.
Es hängt vor allem auch von der Diode ab. Schottkys haben oft recht hohe
Kapazität und schaden dann mehr als sie nützen. Hatten wir gerade
nebenan, als es "nur" um eine Transistor-Schaltstufe ging. Eine
Schaltdiode wie die BAV70 brachte da (in der Simulation) deutlich
bessere Ergebnisse.
Bei Optokopplern mit Fototransistor bringt es am meisten, wenn man sie
einfach im linearen Bereich betreibt - also so wenig wie möglich
übersteuert. Wirklich schnelle Optokoppler verwenden aber asu gutem
Grund eine Fotodiode als Empfänger.
Axel S. schrieb:> Schottkys haben oft recht hohe Kapazität und schaden dann mehr als> sie nützen.
Bei Fototransistoren geht es aber um eine andere Größenordnung.
Und für so etwas verwendet man keine 1N5824; die SD101 hat auch nur 2
pF.
Ich halte die Trick-Schaltung
(Beitrag "Re: Optokoppler Schaltzeiten beschleunigen (z.B. CNY17)") vom
Marc für völlig unsinnig, weil die von einem gemeinsamen GND Potential
abhängt. Außerdem kann ich eine Kapazitive Übertragung auch ganz ohne
Optokoppler realisieren.
Thomas E. schrieb:> Wobei beim Vergleich der Bilder CNY17 vs. 4N25 auffällt, daß beim> CNY17 die fallende Flanke viel weicher bzw. langsamer ist. Hat der> vielleicht ein kleineres CTR als der 4N25?
Nein, eher gleich (CNY17-1) oder größer (CNY17-2).
> Wie wohl das Signal aussehen würde, wenn die fallende Flanke beim> CNY durch mehr LED-Strom ähnlich wie die beim 4N25 aussehen würde...?
Gute Frage. Warum hast du das nicht selbst getestet? ;-)
Danke für die aufschlussreichen Bilder!
Clemens L. schrieb:> Gute Frage. Warum hast du das nicht selbst getestet?
weil es damals auf dem Elektronikflohmarkt (sowas gab es zu meiner Zeit
- ist sowas ähnliches wie Ebay ;) ) nur stangenweise 4N46 gab und ich
deshalb nur diese noch im Keller 'rumfliegen habe...
