Optokuplör Direnç Hesabı: PC817 ve CTR Tasarımı

Optokuplör direnç hesabı iki adımdan oluşur: giriş direnci LED’den istenen ileri akımı (I_F) geçirecek şekilde (V_giriş − V_F) / I_F formülüyle seçilir; çıkıştaki pull-up direnci ise fototransistörün en kötü durumda verebileceği kolektör akımından (I_F × CTR_min) daha az akım isteyecek kadar büyük seçilir. Hesabı datasheet’teki minimum CTR ile, LED’in yıllar içindeki ışık kaybını ve sıcaklığı da katarak yapmak gerekir. Bu yazı, 24 V’luk bir sinyali 3,3 V’luk bir mikrodenetleyiciye PC817 ile taşıyan devreyi adım adım hesaplar ve 4N35 ile 6N137’nin hangi durumda daha doğru seçim olduğunu gösterir.

Optokuplör nedir, nasıl çalışır?

Optokuplör (optoizolatör), bir devreden diğerine sinyali ışıkla taşıyan ve iki devre arasında elektriksel bağlantı bırakmayan yarı iletken elemandır. Giriş tarafında bir kızılötesi LED, çıkış tarafında ışığa duyarlı bir alıcı bulunur. PC817 ve 4N35’te alıcı bir fototransistördür; LED’den geçen akım arttıkça fototransistörün iletebildiği kolektör akımı da artar. 6N137’de ise alıcı, çıkışı açık kolektörlü bir lojik kapı olarak veren hızlı bir fotodedektör entegresidir.

İki tarafın topraklarını ayrı tutabildiği için optokuplör; 24 V’luk endüstriyel sensör girişlerini, şebekeye bağlı devrelerden gelen sinyalleri veya gürültülü bir motor sürücüsünü mikrodenetleyiciden yalıtmak için kullanılır. Bu yalıtım ancak iki taraf gerçekten ayrı beslendiğinde işe yarar: giriş ve çıkış toprağını aynı noktaya bağlarsanız yalıtım ortadan kalkar.

CTR (akım transfer oranı) nedir?

CTR (Current Transfer Ratio), fototransistörün kolektör akımının LED ileri akımına oranıdır ve yüzde olarak verilir: CTR = I_C / I_F × %100. %200 CTR, LED’den 5 mA geçtiğinde fototransistörün 10 mA’e kadar akım iletebileceği anlamına gelir. CTR, transistörlerdeki akım kazancı gibi parçadan parçaya geniş bir aralıkta değişir; ayrıca LED akımına, sıcaklığa ve parçanın yaşına bağlıdır. Bu yüzden tasarım tipik değerle değil, datasheet’teki minimum değerle yapılır.

PC817, 4N35 ve 6N137 parametre tablosu

Değerler üreticilerin datasheet’lerinden alınmıştır (Sharp PC817X serisi, Fairchild/onsemi 4N25–4N37 ailesi, Avago 6N137). Aksi yazılmadıkça 25 °C içindir.

PC817’nin sonundaki rakam CTR sınıfını gösterir. Datasheet’teki model tablosuna göre “3” C sınıfıdır: I_F = 5 mA ve V_CE = 5 V’ta kolektör akımı 10–20 mA, yani CTR %200–400 arasındadır. Sınıfsız PC817X için aynı koşulda aralık 2,5–30 mA’dir (%50–600). Hesapta kullandığınız parçanın sınıfını bilmiyorsanız %50’yi esas almanız gerekir.

CTR’yi düşüren üç etken

Datasheet’teki minimum CTR yeni bir parçanın, belirli bir LED akımında ve 25 °C’de verdiği değerdir. Gerçek devrede bu değeri üç etken aşağı çeker:

• LED’in yaşlanması: Sharp, PC817 datasheet’inin tasarım notlarında optokuplör LED’lerinin ışık çıkışının zamanla azaldığını belirtir ve uzun süreli kullanımda genel bir ölçü olarak 5 yılda %50 kaybın hesaba katılmasını ister. 6N137 datasheet’i de 6,3–10 mA LED akımı önerir ve bu aralığın en az %20 LED yaşlanma payı bıraktığını belirtir. Sharp’ın notu LED ışık çıkışı içindir; bu yazıda aynı kaybı CTR kaybı olarak almak bir yaklaşımdır.
• Sıcaklık: CTR sıcaklıkla değişir. 4N35 datasheet’i bunu garanti değer olarak verir: 25 °C’de en az %100 olan CTR, −55 °C ve +100 °C’de en az %40’tır. PC817 datasheet’i sıcaklık etkisini yalnızca tipik eğri olarak gösterir (bağıl CTR – ortam sıcaklığı grafiği); bu durumda payı tasarımcının kendisi belirler.
• LED akımı: CTR, LED akımıyla sabit kalmaz; datasheet’teki CTR – I_F eğrisi bunu gösterir. PC817 datasheet’i ayrıca I_F 1 mA’in altına indiğinde CTR değişkenliğinin arttığını belirtir. Garanti değerden yararlanmak için LED’i, CTR’nin tanımlandığı akımda ya da ona yakın sürmek en güvenli yoldur.

Bir de doyma etkisi vardır: CTR, V_CE = 5 V gibi doymamış bir çalışma noktasında ölçülür. Anahtarlama devresinde ise fototransistör doymaya sokulur ve 0,2 V civarındaki V_CE‘de iletebildiği akım daha azdır. Bu yüzden pratikte pull-up direncinin istediği akım ile CTR’den hesaplanan akım arasında ayrıca 1,5–2 kat pay bırakılması önerilir; bu bir datasheet şartı değil, yaygın bir tasarım kuralıdır.

Tipik uygulama: 24 V girişten 3,3 V mikrodenetleyiciye

Aşağıdaki devre, 24 V’luk bir anahtar veya sensör çıkışını PC817 üzerinden 3,3 V ile çalışan bir mikrodenetleyici girişine taşır. Giriş tarafında seri direnç R1 LED akımını belirler, LED’e ters paralel bağlı D1 diyotu ters bağlantıya karşı korur. Çıkış tarafında R2 pull-up direnci kolektörü 3,3 V’a çeker. LED yandığında fototransistör iletime geçer ve çıkış lojik 0 olur; bu bağlantı sinyali tersler.

Adım 1: Giriş direnci (R1)

Girişin 20–28 V arasında değişebileceğini varsayalım. LED akımını, PC817’nin CTR’sinin tanımlandığı 5 mA civarında tutacak şekilde ayarlıyoruz. En düşük akım, en düşük giriş voltajında ve en yüksek V_F‘de oluşur:

• R1 = (20 V − 1,4 V) / 5 mA = 3,72 kΩ → standart değer olarak bir alt değer, 3,6 kΩ seçilir.
• En düşük LED akımı: (20 − 1,4) / 3600 = 5,17 mA. %5 toleranslı bir direnç üst sınırda (3,78 kΩ) akımı 4,92 mA’e indirir; bu fark aşağıdaki paylar içinde kalır, isterseniz %1 toleranslı direnç kullanın.
• En yüksek LED akımı (28 V, V_F ihmal edilerek en kötü durum): 28 / 3600 ≈ 7,8 mA. Bu, 50 mA sınırının çok altındadır.
• R1’in gücü en kötü durumda 28² / 3600 ≈ 0,22 W’tır. Çeyrek watt’lık direnç sınırda kalır; 0,5 W seçmek ısınma payı bırakır.

PC817’nin LED ters voltaj sınırı 6 V’tur. 24 V’luk bir hatta kablo ters bağlanırsa LED bu sınırı kolayca aşar. D1 (1N4148 gibi küçük sinyal diyotu) ters gerilimde iletime geçerek LED üzerindeki ters voltajı yaklaşık 0,7 V’ta tutar; o sırada akımı yine R1 sınırlar.

Adım 2: En kötü durum CTR bütçesi

PC817X3 için başlangıç noktası %200 minimum CTR’dir. Bunu iki kez düşürüyoruz:

1. LED yaşlanması için %50 kayıp: %200 × 0,5 = %100.
2. Sıcaklık için ayrıca 0,5 katsayı (PC817 datasheet’i garanti sıcaklık değeri vermediği için bu yazıdaki varsayımdır; kendi sıcaklık aralığınız için datasheet’teki bağıl CTR eğrisine bakın): %100 × 0,5 = %50.

Fototransistörün en kötü durumda iletebileceği akım: I_C,min = 5,17 mA × 0,50 ≈ 2,6 mA.

Adım 3: Pull-up direnci (R2)

Fototransistör iletimdeyken R2’den geçen akım (3,3 V − V_CE(sat)) / R2 olur. Bu akımın 2,6 mA’den belirgin şekilde küçük kalması gerekir:

• En küçük R2 = (3,3 − 0,2) / 2,6 mA ≈ 1,19 kΩ. Buradaki 0,2 V, datasheet’te I_F = 20 mA ve I_C = 1 mA koşulunda verilen en yüksek doyma voltajıdır; 5 mA LED akımında garanti edilmez, aşağıdaki pay bu farkı da karşılar.
• Doyma payı için 2,2 kΩ seçilir. İstenen akım 3,1 / 2200 ≈ 1,41 mA olur; elde edilebilecek 2,6 mA’e göre yaklaşık 1,8 kat pay kalır.
• Kesimde (LED sönükken) çıkışı karanlık akım aşağı çeker. PC817’de bu akım 25 °C ve 50 V’ta en fazla 100 nA’dir; 2,2 kΩ üzerinde 0,22 mV düşüm yapar. Karanlık akım sıcaklıkla artar, ancak 10 µA’e çıksa bile düşüm 22 mV’tur ve lojik 1 seviyesi bozulmaz.

Pull-up direnci büyüdükçe akım bütçesi rahatlar, fakat anahtarlama yavaşlar. Datasheet’teki 4 µs / 3 µs yükselme ve düşme süreleri 100 Ω yükte ölçülmüştür; yanıt süresi – yük direnci grafiği, yük direnci kiloohm mertebesine çıktıkça bu sürelerin belirgin şekilde uzadığını gösterir. R2’yi “ne kadar büyük olursa o kadar az akım” diye 47 kΩ seçmek, sinyali gereksiz yere yavaşlatır.

Aynı devre 4N35 ile nasıl hesaplanır?

4N35‘in avantajı, sıcaklık için garanti bir alt sınır vermesidir: CTR, −55 °C ve +100 °C uç noktalarında en az %40’tır (datasheet aradaki sıcaklıklar için ayrı değer vermez; tipik eğrilere göre CTR orada daha yüksektir). Bu değer I_F = 10 mA’de tanımlandığı için LED’i 10 mA’de sürüyoruz:

• R1 = (20 − 1,5) / 10 mA = 1,85 kΩ → 1,8 kΩ; en düşük I_F = 18,5 / 1800 ≈ 10,3 mA.
• En kötü CTR: %40 × 0,5 (yaşlanma; Sharp’ın önerdiği payı burada da varsayım olarak kullanıyoruz) = %20; I_C,min = 10,3 mA × 0,20 ≈ 2,06 mA. 2,2 kΩ pull-up ile pay yalnızca yaklaşık 1,5 kat kalır. R2’yi 3,3 kΩ‘a çıkarmak daha doğrudur: 4N35’in doyma voltajı için datasheet’teki 0,3 V (I_C = 0,5 mA, I_F = 10 mA koşulunda) alınırsa istenen akım (3,3 − 0,3) / 3300 ≈ 0,91 mA, pay yaklaşık 2,3 kat olur.
• Daha yüksek LED akımı, R1’in gücünü 28 V’ta 28² / 1800 ≈ 0,44 W’a çıkarır. 1 W’lık direnç gerekir ve giriş başına harcanan güç PC817 devresinin yaklaşık iki katıdır.

4N35’in 6 numaralı pini fototransistörün bazıdır. Gürültülü ortamlarda boşta bırakılan baz ucu parazit toplayabilir. Baz ile emiter arasına bağlanan bir direnç kapanmayı hızlandırır ve gürültüye karşı eşiği yükseltir, ancak ışığın fototransistörde ürettiği baz akımının bir kısmını emitere saptırarak etkin CTR’yi düşürür; bu direnci kullanırsanız CTR bütçesini yeniden hesaplayın. Çıkış tarafında 4N35’in V_CEO sınırı 30 V’tur; PC817’de 80 V’tur.

Hız gerektiğinde: 6N137

Fototransistörlü optokuplörler mikrosaniye mertebesinde açılıp kapanır. Anahtar, röle kontağı, 24 V sensör girişi gibi yavaş sinyaller için yeterlidir. Hızlı bir UART, SPI veya PWM sinyalini yalıtmak gerekiyorsa 6N137 gibi lojik çıkışlı bir optokuplöre geçilir. Datasheet’e göre yayılım gecikmesi tipik 48–50 ns, 25 °C’de en fazla 75 ns’dir ve tipik veri hızı 10 MBd’dir.

6N137’de CTR hesabı yoktur; LED akımı bir eşiği geçince çıkış lojik 0’a döner. Tasarımda dikkat edilecek noktalar datasheet’te açıkça verilmiştir:

• Çıkış tarafı 4,5–5,5 V ile beslenir (8 numaralı pin V_CC, 5 numaralı pin GND) ve bu iki pin arasına, pinlere olabildiğince yakın, 0,1 µF seramik dekuplaj kondansatörü bağlanması zorunludur.
• Eşik akımı en fazla 5 mA’dir. Üretici, en iyi performans ve en az %20 LED yaşlanma payı için 6,3–10 mA LED akımı önerir; önerilen çalışma aralığının üst sınırı 15 mA, mutlak ortalama sınır 20 mA’dir.
• Çıkış açık kolektördür ve 6 numaralı pinden alınır; önerilen pull-up direnci 330 Ω ile 4 kΩ arasıdır.
• 7 numaralı enable pini boşta bırakılırsa veya lojik 1 yapılırsa çıkış LED’e göre çalışır (LED yanınca lojik 0); lojik 0 yapılırsa çıkış LED’den bağımsız olarak lojik 1’de kalır. Datasheet boşta bırakmaya izin verir; gürültülü ortamlarda pini V_CC‘ye bağlamak yaygın bir uygulamadır.

Örneğin 5 V’luk bir lojik çıkıştan sürülen 6N137 için R1 ≈ (5 − 1,5) / 8 mA ≈ 440 Ω olur. 430 Ω ile akım tipik V_F‘de yaklaşık 8,1 mA, en yüksek V_F‘de (1,75 V) yaklaşık 7,6 mA’dir; ikisi de önerilen 6,3–10 mA aralığındadır. Sürücü çıkışının yük altında 5 V’un biraz altına düşeceğini de hesaba katın.

Hangi optokuplörü seçmeli?

• PC817X3: Dar CTR sınıfı (%200–400) sayesinde düşük LED akımıyla çalışır, 80 V V_CEO ve 4 pinli küçük kılıfa sahiptir. Çok kanallı dijital giriş kartları, PLC tipi 24 V girişler ve anahtarlamalı güç kaynaklarındaki geri besleme gibi yavaş sinyaller için uygundur.
• 4N35: −55 °C ve +100 °C uç noktalarında garanti CTR alt sınırı ve dışarı çıkarılmış baz ucu vardır. Geniş sıcaklık aralığında hesabı datasheet garantisiyle kapatmak istediğiniz, akademik veya endüstriyel tasarımlar için iyi bir referans parçadır.
• 6N137: Megabaud mertebesindeki dijital haberleşme sinyalleri için. Çıkış tarafında 5 V besleme ve dekuplaj kondansatörü gerektirir.

Diğer seçenekler için Transistör Çıkışlı Optokuplörler ve Lojik Çıkışlı Optokuplörler kategorilerine bakabilirsiniz. Yalıtılmış tarafın beslemesini lineer regülatörle hazırlıyorsanız 7805 ile AMS1117 karşılaştırması yazısı regülatör seçimini anlatır.

Sık yapılan hatalar

• Tipik CTR ile hesap yapmak: Devre masada çalışır, sahada birkaç yıl sonra veya soğuk bir sabah çıkış lojik 0’a inmez. Hesap her zaman minimum CTR ile yapılmalıdır.
• Sınıfı bilinmeyen PC817 ile dar sınıf varsaymak: Sınıfsız PC817X’in alt sınırı %50’dir; %200 varsayarak hesaplanan devre dört kat eksik akımla kalabilir.
• Ters gerilim korumasını unutmak: LED’lerin ters voltaj sınırı 5–6 V’tur. Alternatif gerilim veya ters bağlanabilecek bir hat için ters paralel diyot gerekir.
• İki tarafın toprağını birleştirmek: Toprak birleşirse izolasyon ortadan kalkar. Kartta giriş ve çıkış tarafının bakır alanları arasında da yeterli açıklık bırakılmalıdır.
• Direnç gücünü kontrol etmemek: LED akımı yükseldikçe 24 V’luk girişlerde seri direnç çeyrek watt’ı aşabilir; örnekteki 4N35 devresinde 10 mA için 0,44 W’a çıktı.
• 6N137’de dekuplaj kondansatörünü atlamak: Datasheet, 5 ve 8 numaralı pinler arasındaki 0,1 µF kondansatörü zorunlu tutar.

Sık sorulan sorular

PC817 giriş direnci nasıl hesaplanır?

R = (V_giriş − V_F) / I_F formülüyle. PC817’de V_F tipik 1,2 V, en fazla 1,4 V’tur. CTR 5 mA’de tanımlandığı için çoğu tasarımda I_F 5 mA civarında seçilir. 5 V’luk bir mikrodenetleyici çıkışından sürmek için en yüksek V_F ile (5 − 1,4) / 5 mA = 720 Ω bulunur; standart değer olarak 680 Ω kullanılabilir. Çıkış pininin yük altındaki voltajını ve bu akımı verebildiğini mikrodenetleyicinin datasheet’inden kontrol edin.

Optokuplör çıkışındaki pull-up direnci kaç ohm olmalı?

Pull-up direnci, (V_CC − V_CE(sat)) / R akımı en kötü durumdaki I_F × CTR_min değerinin altında kalacak kadar büyük, anahtarlama hızını gereksiz düşürmeyecek kadar küçük seçilir. Bu yazıdaki 24 V → 3,3 V örneğinde sonuç 2,2 kΩ’dur. Tek bir doğru değer yoktur; LED akımına, CTR sınıfına ve besleme voltajına göre değişir.

PC817X3’teki “3” ne anlama gelir?

CTR sınıfını gösterir. Sharp datasheet’ine göre PC817X3 C sınıfıdır: I_F = 5 mA ve V_CE = 5 V’ta kolektör akımı 10–20 mA, yani CTR %200–400 arasındadır. Sınıfsız PC817X için aynı koşulda aralık %50–600’dür.

PC817 yerine 4N35 kullanılabilir mi?

İşlev olarak evet, fakat kılıf ve pin dizilimi farklıdır (4 pin yerine 6 pin) ve CTR farklı akımda tanımlanır. 4N35 ile aynı çıkış akımını garanti etmek için LED akımını yükseltmek ve giriş direncini yeniden hesaplamak gerekir; örnek devrede bu, 3,6 kΩ yerine 1,8 kΩ / 1 W giriş direnci ve 2,2 kΩ yerine 3,3 kΩ pull-up anlamına geldi.

Sonuç

Optokuplör devresinin güvenilirliği iki direncin doğru seçimine bağlıdır. Giriş direnci, en düşük giriş voltajında bile CTR’nin tanımlandığı LED akımını sağlamalı; pull-up direnci de yaşlanma ve sıcaklık sonrası kalan en düşük CTR ile bile fototransistörü doymaya sokabilmelidir. Örnekte PC817X3 için 3,6 kΩ / 0,5 W giriş direnci ve 2,2 kΩ pull-up, 20–28 V aralığında yaklaşık 1,8 kat pay bıraktı. Daha geniş sıcaklık aralığında datasheet garantisi isteyen tasarımlarda 4N35, hızlı dijital sinyallerde 6N137 daha doğru seçimdir.

Kaynaklar

• Sharp, PC817X Series datasheet (Sheet No. D2-A03101EN)
• Fairchild Semiconductor, 4N25–4N28, 4N35–4N37, H11A1–H11A5 datasheet
• Avago Technologies, 6N137, HCPL-26xx/06xx, HCNW137 datasheet