Optoizolowana bramka transmisyjna

Projekt izolowanej bramki transmisyjnej wykonano w oparciu o scalone optoizolatory typu LC02 zwane również analogowymi przekaźnikami optycznymi. Zawierają one diodę LED oraz fotorezystor. Całość jest zamknięta w nieprzezroczystej obudowie o kształcie prostopadłościanu. Zasada działania jest następująca: im większy prąd przewodzenia płynie przez diodę, tym mniejszą rezystancję wykazuje fotorezystor. Między tymi elementami znajduje się izolacja o wytrzymałości 2,5 kVrms.

Zaleta użycia takiego podzespołu jest oczywista. Fotorezystor, jak jego nazwa sugeruje, jest elementem liniowym, czyli można przezeń przepuścić sygnał analogowy bez obaw pojawienia się w nim zniekształceń nieliniowych. Maksymalna częstotliwość przewodzonego prądu nie może przekraczać 300 kHz, zaś maksymalne napięcie między zaciskami fotorezystora nie powinno przekroczyć 50 V. Według producenta, rezystancja po załączeniu diody (If = 20 mA) wynosi ok. 50 V, zaś po wyłączeniu może sięgać 10 MOhm, więc dynamika wynosi 106 dB. Podsumowując – na potrzeby przełączania sygnału audio ten element wydaje się idealny.

Schemat ideowy pokazano na rysunku 1. Aby uniezależnić wpływ napięcia zasilania na prąd diod, są one zasilane ze źródła prądowego. Wykonano je w najprostszy możliwy sposób, czyli z użyciem układu LM317. Z rezystorem o rezystancji 47 V dostarcza prąd o natężeniu ok. 27 mA. Producent dopuszcza maksymalny prąd LED 40 mA, więc taka wartość jest poniżej prądu maksymalnego.

Diody optoizolatorów połączono szeregowo. Ich przewodzenie jest możliwe po wprowadzeniu tranzystora T1 w nasycenie. Aby tak się stało, przez jego bazę musi popłynąć prąd o natężeniu min. 1 mA. To odpowiada podaniu na wejście CONTROL złącza J3 napięcia stałego min. 1,8 V. Umożliwia to załączanie wprost przez mikrokontrolery lub inne układy cyfrowe. Rezystor R2 gwarantuje wyłączenie tranzystora po odłączeniu wejścia CONTROL.

Równolegle do diod LED włączono rezystory R3 i R4, każdy o rezystancji 1 kOhm. Jeśli tranzystor T1 przewodzi, to odkłada się na nich napięcie równe napięciu przewodzenia każdej z diod. Zmniejsza to prąd płynący przez diody o ok. 2 mA, lecz nie ma to większego znaczenia.

Znacznie ważniejsze jest to, co dzieje się przy zatkanym T1. Prąd płynący przez jego kolektor może sięgać 15 nA w temperaturze pokojowej, a w podwyższonej nawet 4 mA. Doświadczenia z tymi optoizolatorami wykazały, że nawet tak mały prąd płynący przez diody znacząco zmniejsza rezystancję fotorezystora. Dodanie tych rezystorów powoduje, że na zaciskach diod odkłada się napięcie nieprzekraczające miliwoltów, co całkowicie je wyłącza.

W obwodzie włączono dwa optoizolatory LC02, co umożliwia przełączanie dwóch kanałów audio: stereofonicznego lub zbalansowanego. Rezystory R6 i R7 są opcjonalne – ich obecność zwiększa tłumienie przy zaciemnionym fotorezystorze.

Urządzenie zmontowano na jednostronnej płytce drukowanej o wymiarach 56 mm×34 mm, której schemat montażowy pokazano na rysunku 2. Wszystkie elementy są w obudowach do montażu przewlekanego, więc ich przylutowanie nie sprawi problemu nawet początkującym elektronikom. Gotowe urządzenie nie wymaga żadnych czynności uruchomieniowych i jest od razu gotowe do pracy. Przystosowano je do zasilania napięciem stałym z zakresu 9…40 V, a pobór prądu wynosi ok. 27 mA, niezależnie od wartości napięcia.

Wyniki pomiarów rezystancji fotorezystorów w układzie prototypowym (U_ZAS = 12 V):

- T1 wyłączony: ok. 150 MOhm.
- T1 wyłączony, R3 i R4 wylutowane: ok. 30 MOhm.
- T1 nasycony: 125 Ohm i 127 Ohm.

Montując rezystory R5 i R6 o oporności 10 kOhm oraz zaniedbując opór wejściowy odbiornika sygnału, uzyskujemy 83 dB tłumienia po wyłączeniu i 0,1 dB tłumienia po załączeniu.

Michał Kurzela, EP