Chaveamento de fotoacoplador em 100kHz

[Sérgio Lembo]

Estou com um projeto de sensor a 2 fios e a saída é por chaveamento de corrente, valor medido proporcional ao período com duty de 50%. No semiciclo baixo a corrente máxima é de 700uA e no alto pode variar de 3,1mA a 3,5mA a depender das condições da instalação (resistência do cabo e comprimento). Meu desafio é chavear um optoacoplador, se o GND for compartilhado o sensor não funciona. O optoacoplador é a solução e para que o transistor do opto não sature a solução já foi encontrada. A questão é o led de entrada, mais precisamente o transistor que irá chaveá-lo. Transistor BJT pelo que entendo fica lerdo para desligar quando satura. Assim sendo montei um circuito com auto-polarização para contornar a questão. o Vce vai oscilar entre 5V com zero mA e 3V com 16mA. Funciona a questão da velocidade? Alguma outra sugestão?

 

[Renato.88]

27 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

Transistor BJT pelo que entendo fica lerdo para desligar quando satura

Um transistor usado em rádio não serve? 

São feitos para trabalhar com MHz ou GHz. 

 

Tem também os CIs lógicos, seja CMOS ou TTL os modelos Buffer podem acionar esse led sem problemas. 

[.if]

32 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

BJT pelo que entendo fica lerdo para desligar quando satura

Um contorno pra isso é um trafo ou similar que aplica -V na base. Esta não deve ser menor que -5V pois existe algo como um diodo zener 6V entre B e E. Algo como a velharia abaixo

https://www.newtoncbraga.com.br/index.php/iot/52-artigos-tecnicos/artigos-diversos/7252-trabalhando-com-fly-backs-art885.html

 

Uma -V na base o faz abrir com mais rapidez. Assim sendo, pode tentar um acoplamento capacitivo.

35 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

a questão da velocidade? Alguma outra sugestão?

 

[aphawk]

@Sérgio Lembo ,

 

Eu uso um 6n137 cujo Led é ligado direto na saída de um CP2102 a 115 Kbaud, sem nenhum problema, o sinal na saída  é perfeito..... e custa cerca de R$ 5,00 .

Pelo datasheet ele chega a 10 Mbits ..... então atende perfeito o seu quesito frequência.

 

No seu caso essa corrente de 700uA minima vai causar uma demora maior no desligamento do transistor... talvez usando esse 2n3904 ajude , o ganho é bom e ele funciona bem até mais de 200 MHz, deve ter um tempo menor de cutoff.

 

Nada como montar e ver .....
 

Paulo

[Renato.88]

4 horas atrás, .if disse:

Um contorno pra isso é um trafo ou similar que aplica -V na base. Esta não deve ser menor que -5V pois existe algo como um diodo zener 6V entre B e E.

Com trafo da até pra eliminar o opto. 

Mas dependendo da situação, o trafo muda o formato de onda, que não sei se é importante para o projeto. 

[Sérgio Lembo]

@aphawk

Nos 700uA o resistor de 390R faz 270mV na base, o transistor fica cortado. Essa pequena tensão retarda o corte? Estou pensando em usar o SFH617A que promete 250kHz com IF de 16mA ou o CNY17 que promete 190kHz com IF de 5mA.

37 minutos atrás, Renato.88 disse:

Com trafo da até pra eliminar o opto. 

Mas dependendo da situação, o trafo muda o formato de onda, que não sei se é importante para o projeto. 

Vai é me eliminar no custo. Além dos materiais tem o trabalho de enrolar.

@Renato.88 e @aphawk , a discussão é sobre o transistor que vai acionar o led do optoacoplador, ainda não estou preocupado com o optoacoplador. 

[Mega Blaster]

@Sérgio Lembo Não vou me meter onde não sei. Mas qual a finalidade do circuito? Se for para uso em automação, estará disponível para negócio? 

 

[aphawk]

@Sérgio Lembo,

 

voce pode implementar o velho Baker Clamp, ou uma das variantes utilizando um diodo Schottky para aumentar a velocidade do cut-off ! O aumento do VCE de condução não será problema para acender o Led do Opto.

 

 

Paulo

[.if]

19 horas atrás, Sérgio Lembo disse:

resistência do cabo e comprimento). Meu desafio é chavear um optoacoplador

Eu até teria mais ideias mas por hora visualizo um cabo de vários metros chaveando 5V a 100Khz até o opto. .. Esta sim seria condição atípica. Assim sendo, uma V>5 pode ser interessante... apesar da baixíssima corrente. Também visualizo um cabo blindado... apesar da baixíssima frequência.

 

No modo "normal" eu nem usaria transistor pois como já lhe disse Paulão, existe opto que trabalha de boa nesta freq. O próprio mc cuja saída é push pull jé lhe confere tal velocidade de chaveamento. Nos st há controle até mesmo desta característica dos pinos.

[aphawk]

3 horas atrás, .if disse:

No modo "normal" eu nem usaria transistor pois como já lhe disse Paulão, existe opto que trabalha de boa nesta freq. O próprio mc cuja saída é push pull jé lhe confere tal velocidade de chaveamento. Nos st há controle até mesmo desta característica dos pinos.

 

O problema é que não está na saida de um microcontrolador ..... repare que tem sempre uma corrente de 700 uA em nivel 0 e que aumenta para 3,1 mA em nivel 1 ...... tem de polarizar com cuidado o transistor para ele não conduzir com 700 uA mas conduzir ativamente com 3,1 mA , SEM entrar na saturação. O circuito que coloquei acima com um diodo schottky resolve a saturaçao, o que aumentaria a velocidade da comutação do transistor. Tem de calcular certinho os resistores do circuito original do @Sérgio Lembo para que o transistor conduza :

 

Supondo Vbe em condução de 0,7 Volts, sobra apenas 1,2 mA para passar pela base, que é mais do que suficiente para que passe 16 mA pelo coletor, ou seja, o transistor irá operar saturado.... para isso que o Schottky servirá para desviar a corrente da base e permitir que o transistor opere em condução ATIVA, mas então tudo tem de ser escolhido com cuidado para que tenha Vce maior do que 0,6 Volts ( isso varia dependendo do transistor para que ele ainda esteja na zona ATIVA ).

 

Supondo que o Diodo Schottky conduza com 0,3 Volts, a tensão Vce seja pelo menos 0,6 Volts, a tensão na base para permitir que o transistor opere como queremos seria de no mínimo 0,9Volts, o que implica em termos de inserir um resistor no emissor para o Gnd..... E isso implica em recalcular todas as tensões 

e resistores novamente para atender o funcionamento desejado com as correntes que dispomos na base !

 

Essa é a parte divertida desse circuito !!!!

 

Paulo

[.if]

1 hora atrás, aphawk disse:

tem sempre uma corrente de 700 uA em nivel 0

de origem sinistra meio fora de padrão (2me). Nunca vi coisa assim. ok...o máximo que aproximo é talvez no famigerado sinal 4..20mA.

 

Mais um trabalho pra bola de cristal...

Meu modo minimalista me indica a simplesmente desacoplar o dc disso com um simples capacitor pois parece que ele quer apenas passar o sinal 50% dutty.

 

1 hora atrás, aphawk disse:

implica em recalcular todas as tensões 

e resistores novamente para atender o funcionamento desejado com as correntes que dispomos na base

No ponto de vista prático a inserção do venenoso verbo "recalcular" acho que implica em instabilidades

[Sérgio Lembo]

@aphawk e @.if

Reparem bem no circuito: o emissor não está aterrado, temos um resistor que fará a relação tensão emissor virar a corrente desejada. Na base temos um resistor de 390R que absorve toda a corrente recebida elevando a tensão sobre a base do transistor. Quando a Vbe supera o valor mínimo o transistor passa a conduzir com o emissor seguindo a base e espero eu que a base consuma apenas o necessário para que o emissor siga a tensão de base. A tensão no coletor está amarrada em Vcc - Vf do led. A corrente sobre o led então será definida pela tensão do emissor dividida pelo resistor do emissor. A corrente de base será a corrente do emissor dividido por aquilo que o hfe conseguir entregar na faixa de operação.  A técnica do Baker insere um valor mínimo para Vbe em torno de 1V mas aqui vou ter 3V, região ativa. A dúvida é se o fato do transistor entrar em corte não atrapalha o desempenho. Outras considerações que eu não tenha enxergado serão muito bem vindas.

[aphawk]

@Sérgio Lembo ,

 

25 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

A técnica do Baker insere um valor mínimo para Vbe em torno de 1V mas aqui vou ter 3V, região ativa

 

Se tiver 3V na base, o resistor de 390R vai consumir 3/390 = 7,7 mA, que você não tem .... tem de redimensionar esse resistor para poder sobrar um pouco de corrente de base...

 

 

25 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

A dúvida é se o fato do transistor entrar em corte não atrapalha o desempenho

 

Se ele entrar em corte a partir da região ativa, creio que não afeta. Mas se ele estiver em saturação, vai demorar mais para cortar.

 

Paulo

[.if]

Continuo achando que a freq (e potência) é baixa d+ pro transistor apresentar comportamento atípico. Também continuo achando que o acoplamento com capacitor e sua corrente negativa pode lhe conferir um retorno mais rápido da saturação.

Para agora com frescura teórica e ponha a mão na massa, faça medições com osciloscópio e afins. Um caminho do meio: faça simulações. Eu (eu) apontaria minhas baterias pro opto que pode não responder a contento à alta freq.

Se achar que deve, fale algo como qual é a origem deste sinal doidão. De repente você consegue condicioná-lo na fonte.

[Mega Blaster]

REPITO: Não entendo desta parte, mas da que me afetará. Em conversa off topic, tenho propósito ao final desse projeto. Informo aos senhores que todos os sistemas de automação de que participei tem como alimentação ou injeção de controle com: ou corrente 4 ~ 20 mA ou 0 ~ 10V. Isto posto, os cabos em geral são shild 1,0 mm² e o grande problema: grandes distâncias. Raramente menor que 20 m. Média 60 m. Só para inserir no contexto e terem uma alternativa à essas questões, se forem pertinentes. Obrigado.

[Sérgio Lembo]

@aphawk Um erro de escrita meu. Quando disse 3V Vbe na verdade seriam 3V Vce. Os 390R são meu shunt de medição e a pretensão é que o consumo da base do transistor seja irrelevante comparado ao 390R.

23 minutos atrás, .if disse:

Se achar que deve, fale algo como qual é a origem deste sinal doidão. De repente você consegue condicioná-lo na fonte.

É um circuito a 2 fios sem fonte na origem. O consumo do circuito é inferior a 100uA se for considerado a corrente quiescente dos 2 integrados + a polarização do circuito. Olhando para o datasheet temos o quiescente típico e o máximo. Trabalhando pelo máximo o consumo triplica. Indutâncias, capacitâncias, fuga entre condutores e até mau olhado podem contribuir para um aumento de corrente. Estou trabalhando com cabos trançados longos, a partir de 10m e ter um cabo desses ligado direto num uC é dar sorte para o azar. Tem que haver uma barreira robusta. 

No desenho abaixo, quando a chave entra a tensão sobre o sensor cai tanto que só não é drenada a energia dos 10uF pela chave graças ao diodo shottiky de entrada. Os 10uF garantem energia durante a comutação. U1 é um regulador LDO, baixíssimo quiescente (<10uA) e menos de 100mV de dropout no consumo do circuito. Tenho uma tensão estável no oscilador. Quando a chave abre temos a corrente de recuperação dos 10uF que é somada ao consumo. Quando a chave entra temos os 3 a 3,5mA.

Como se vê não é uma saída de corrente regulada, é uma carga de resistência variável cuja frequência de variação contém o valor medido.

 

 

[.if]

1 hora atrás, Sérgio Lembo disse:

sem fonte na origem

Desculpe a confusão de semântica... no caso considerei "fonte=origem". Não considerei a interpretação de "fonte" no nosso ramo.

Pelo que entendi (se é que entendo algo) você quer ler um sinal e não aplicar sinal, correcto? Assim sendo, consigo ver alternativas mas não devo conseguir traduzir facilmente pra texto. E também não consigo tecer comentários sobre o seu circuito, ok? Boa sorte com os outros amigos e não te esqueças de publicar resultados e circuito que te satisfez...

[MOR_AL]

Bom.

O LED tem uma resistência variável com a corrente.

Ao cortar o transistor, a resistência do LED vai aumentando e com o aumento da resistência de coletor, a resposta em frequência do transistor cai.

Mas o LED fornece luz em função da corrente e esta cai rapidamente.

Experimente colocar um resistor com 1/10 da corrente máxima de coletor em paralelo com o LED.

Rcoletor = VLEDMáx / (ILEDMáx / 10)  

Este Rcoletor fica em paralelo com o LED. 

A tensão no coletor vai subir mais rápido.

Rcoletor vai descarregar as capacitâncias intereletródicas mais rapidamente, aumentando a velocidade.

Experimente e nos conte o resultado.

Em 15/05/2023 às 13:00, Sérgio Lembo disse:

Estou com um projeto de sensor a 2 fios e a saída é por chaveamento de corrente, valor medido proporcional ao período com duty de 50%.

Claro que você deve estar usando algo como um PLL para transformar a frequência em tensão, uma vez que com um integrador, vais ter sempre o valor médio (constante) da onda.

MOR_AL

[Sérgio Lembo]

15 horas atrás, MOR_AL disse:

Claro que você deve estar usando algo como um PLL para transformar a frequência em tensão, uma vez que com um integrador, vais ter sempre o valor médio (constante) da onda.

Pretendo usar uC para medir o tempo entre 2 bordas ascendentes de corrente. Vou fazer esse teste do resistor paralelo ao led.

Além da questão do tópico vou precisar de uma conversor isolado CC, de 5V para 6V x 20mA para acionamento do circuito. O rendimento pode ser baixo e o custo não pode ser alto. Não é necessário regulagem, se variar 10% na construção não irá atrapalhar. Estou pensando num conversor forward acionado por um NE555 de 50kHz, duty 20%. O baixo duty é para que a bobina de desmagnetização faça o serviço com folga, nas simulações que fiz ela é bem demorada. Acredito que caberá num toroide pequeno desses que se tem nos reatores eletrônicos de fluorescentes. Também pensei no meia ponte, a princípio a saida totem pole com 200mA do NE555 dispensaria a questão do dead time para evitar curto mas pelo que entendi na pesquisa essa topologia também precisa descarregar algumas correntes entre o acionamento dos braços. No forward basta utilizar a relação de espiras para dterminar a saída e ter um duty que garanta a desmagnetização. Alguma outra ideia? 

[.if]

1 hora atrás, Sérgio Lembo disse:

medir o tempo entre 2 bordas ascendentes de corrente

você está elitizando algo como um simples frequencímetro? Ou a variação do período é frequente demais e você quer monitorar isso?

 

Sobre a isolação... ela é interessante sim mas dependendo do (misterioso) sistema não chega a ser condição sine qua non. P.ex. eu (eu) meço 220Vac "direto" apenas com resistores de 2M entre fases. Atende normas e evita o trombolhoso e caro trafo isolador.

 

em tempo.. eu ia te dar a ideia do R no diodo mas sem ver a física e teoria da coisa.. era só intuição mesmo. Moris se fez presente com mais propriedade.

[Sérgio Lembo]

Em 18/05/2023 às 10:32, .if disse:

você está elitizando algo como um simples frequencímetro? Ou a variação do período é frequente demais e você quer monitorar isso?

Tal qual no sensor de distância por ultrasom a duração do período contém a informação.

A diferença é que o de ultrasom tem que ser estimulado (trigger, monoestável) e este envia de forma contínua (astável).

[.if]

39 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

a duração do período contém a informação

39 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

envia de forma contínua

Já meio que tomou forma. Eu (eu) tentaria a leitura direta algo como um amp. diferencial e/ou de instrumentação com alguns filtros. Numa visão de eletrons passando, parece que seu circuito com opto/transistor meio que pode contaminar o período. Mas parece que li em algum lugar que o duty cycle é 50%. Se isso mesmo que tal se lesse a freq e invertesse..T=1/F ? Aí sim eu deixo você manter o opto.

[Sérgio Lembo]

Duty de 50% é o que sai do oscilador. Dependendo da capacitância do cabo o duty no led do opto cai pela metade, se for superior a 30nF mata as frequências mais altas. Para melhorar a convivência com isso até montei um comparador, coisa simples, 2 transistores + 4 resistores apenas. É o suficiente para a demanda.

@aphawk , condicionar a saída do opto convencional para TTL estava dando tanto trabalho que vou utilizar sua sugestão: um modelo de saída lógica. Sai mais em conta e fica sobrando performance. 

[Sérgio Lembo]

Do circuito proposto no inicio do tópico ao que será usado foram feitas muitas modificações. No iníco a corrente do led era feita na topologia emissor seguidor. Tem o mérito de impedir naturalmente a saturação do transistor e é excelente quando se tem uma excitação previsível. Nas simulações quando comecei a colocar a capacitância do cabo, à medida em que aumentava a excitação do led variava demais. Solução: montar um comparador e fazer o chaveamento emissor comum com o clamp de Backer usando diodo schottky de baixo Vf  (dica do @aphawk). Normalmente se usa 2 transistores na comparação mas como um deles funciona como um simples diodo, sem circular corrente pelo coletor, coloquei um diodo 1n4148 no lugar,  

Como dito a pouco também substitui o opto convencional pelo de saída lógica. Quanto mais se estuda mais se descobre pêlo em ovo. No datasheet do opto lógico apareceu uma corrente máxima para garantir o dropout, 300uA. Aqui a solução foi dada pelo @MOR_AL, um resistor paralelo ao led com consumo =>10% da corrente de led. 

O circuito fico assim:

Na parte esquerda temos o circuito que ficará próximo ao microcontrolador. Temos então um par a ser fornecido: esta placa e o sendor. Do opto só foi representado o led. 

Do Rcabo para a direita e acima temos a simulacão do consumo do circuito. A frequência é gerada pelo próprio circuito do sensor. o capacitor da fonte do circuito foi colocado baixo para responder mais rápido as variações de parâmetros externos (sliders). Na parte superior temos um scope da tensão interna do circuito, a mínima é de 3V4 para funcionamento estável. 

A fonte tem que ser isolada do GND e não pode ser compartilhada, tem que ser exclusiva. O sensor, da forma como é usado, fica naturalmente com o seu negativo exposto ao terra local se bem que nada impede do monitoramento vir a ser feito na parte superior, mas isso verei mais tarde.

Grato a todos pelo interesse. 

[Sérgio Lembo]

Passando o resistor de shunt (390R) para cima, vai me resolver alguns problemas.

No teste da imagem acima se pode observar limitações quando o cabo é longo demais e a capacitância de cabo elevada. Ainda assim para um sensor com range de 10us a 20000us ficar limitado a partir de 50us não será relevante no caso da aplicação não prever trabalhar na faixa inicial. Estou gostando do resultado.