Программа моделирует работу оптопары (оптрона) с фото-транзистором, позволяя рассчитать ключевые электрические параметры цепи: входной резистор, ток коллектора, выходное напряжение, а также графически отобразить зависимость выходного напряжения от входного тока.
Что можно рассчитать и визуализировать
- Необходимое сопротивление входного резистора Rin.
- Ток коллектора Ic в зависимости от входного тока и CTR.
- Выходное напряжение на нагрузке (Vout).
- График зависимости Vout от тока светодиода Iвх.
- Потери мощности на входном резисторе.
Калькулятор помогает понять, как работает оптрон в режиме ключа или аналоговой передачи сигнала. Может быть полезен при проектировании развязки микроконтроллеров, схем управления, цифровых и аналоговых интерфейсов. Поддерживает онлайн-работу на любых устройствах.
Формулы расчёта
Основные расчёты основаны на следующих уравнениях:
Входной ток:
$$
I_f = \frac{V_{in} — V_f}{R_{in}}
$$
Ток коллектора:
$$
I_c = I_f \cdot \frac{CTR}{100}
$$
Выходное напряжение на нагрузке:
$$
V_{out} = V_{cc} — I_c \cdot R_{load}
$$
Мощность, рассеиваемая на Rin:
$$
P_{Rin} = I_f^2 \cdot R_{in}
$$
Если нагрузка не задана, выходное напряжение считается равным \( V_{cc} \). При отрицательных результатах напряжение на выходе принудительно ограничивается нулём.
Пояснение параметров
| Параметр | Описание | Единицы |
|---|---|---|
| \( V_{in} \) | Напряжение на входе схемы | Вольт (В) |
| \( V_f \) | Прямое напряжение светодиода внутри оптрона | Вольт (В) |
| \( I_f \) | Ток через светодиод | мА |
| \( CTR \) | Коэффициент передачи тока (Current Transfer Ratio) | % |
| \( V_{cc} \) | Питание со стороны коллектора | Вольт (В) |
| \( R_{load} \) | Сопротивление нагрузки | Ом |
| \( R_{in} \) | Входной резистор | Ом |
| \( I_c \) | Ток через коллектор | мА |
| \( V_{out} \) | Выходное напряжение на нагрузке | Вольт (В) |
Примеры расчётов
Пример 1: Оптопара в режиме ключа для управления нагрузкой 500 Ом
- Входное напряжение \( V_{in} = 12 \) В
- Прямое напряжение светодиода \( V_f = 1.2 \) В
- Желаемый ток через светодиод \( I_f = 15 \) мА
- Коэффициент передачи тока \( CTR = 80\% \)
- Напряжение питания коллектора \( V_{cc} = 12 \) В
- Нагрузка \( R_{load} = 500 \) Ом
Расчёты:
Входной резистор:
\[
R_{in} = \frac{V_{in} — V_f}{I_f} = \frac{12 — 1.2}{0.015} = 720 \text{ Ом}
\]
Ток коллектора:
\[
I_c = 0.015 \times 0.8 = 0.012 \text{ А (12 мА)}
\]
Выходное напряжение:
\[
V_{out} = 12 — 0.012 \times 500 = 6 \text{ В}
\]
Мощность на входном резисторе:
\[
P_{Rin} = (0.015)^2 \times 720 = 0.162 \text{ Вт}
\]
Пример 2: Аналоговая передача сигнала через оптопару с низким CTR
- Входное напряжение \( V_{in} = 5 \) В
- Прямое напряжение светодиода \( V_f = 1.4 \) В
- Желаемый ток через светодиод \( I_f = 8 \) мА
- Коэффициент передачи тока \( CTR = 40\% \)
- Напряжение питания коллектора \( V_{cc} = 10 \) В
- Нагрузка \( R_{load} = 1\,000 \) Ом
Расчёты:
Входной резистор:
\[
R_{in} = \frac{V_{in} — V_f}{I_f} = \frac{5 — 1.4}{0.008} = 450 \text{ Ом}
\]
Ток коллектора:
\[
I_c = 0.008 \times 0.4 = 0.0032 \text{ А (3.2 мА)}
\]
Выходное напряжение:
\[
V_{out} = 10 — 0.0032 \times 1000 = 6.8 \text{ В}
\]
Мощность на входном резисторе:
\[
P_{Rin} = (0.008)^2 \times 450 = 0.029 \text{ Вт}
\]
Влияние CTR и нагрузки
| CTR (%) | Выходной ток Ic (мА) | Vout при 1kОм |
|---|---|---|
| 50 | 5 | 0 В (при Vcc=5В, Vout ≈ 0) |
| 100 | 10 | 0 В (перенасыщение) |
| 20 | 2 | 3 В |
Применение
Эта программа полезна для:
- Проектирования цифровых и аналоговых развязок на оптронах.
- Быстрой оценки тока, напряжения и мощности в цепях с оптопарами.
- Учебных целей: демонстрация принципа работы оптрона.
- Оптимизации схем управления нагрузкой через оптическую развязку.
Подробнее о работе оптронов читайте в этом справочнике.
