Dvojice optický vysílač - optický přijímač se již dlouho používá v elektronice a elektrotechnice. Elektronická součástka, u níž jsou přijímač a vysílač umístěny ve stejném krytu a probíhá mezi nimi optická komunikace, se nazývá optočlen nebo optočlen.
Optron Design
Optrony se skládají z optického vysílače (emitoru), optického kanálu a optického přijímače. Světelný vysílač převádí elektrický signál na optický. Vysílač je ve většině případů LED (v prvních modelech se používaly žárovky nebo neonové žárovky). Použití LED diod není rozhodující, ale jsou odolnější a spolehlivější.
Optický signál je přenášen optickým kanálem do přijímače. Kanál může být uzavřen - když světlo vyzařované vysílačem neopouští tělo optočlenu. Signál generovaný přijímačem je pak synchronizován se signálem na vstupu vysílače. Tyto kanály mohou být vyplněny vzduchem nebo speciální optickou směsí. Existují také "dlouhé" optočleny, kde je kanál optické vlákno.
Pokud je optočlen navržen tak, že generované záření opouští kryt dříve, než dosáhne přijímače, nazývá se otevřený kanál. Lze jej použít k detekci překážek v cestě světelného paprsku.
Fotodetektor převádí optický signál zpět na elektrický. Nejčastěji používané přijímače jsou:
- Fotodiody. Obvykle se používá v digitálních komunikačních linkách. Mají malé lineární rozpětí.
- Fotorezistory. Jejich zvláštností je obousměrná vodivost přijímače. Rezistorem může protékat proud v obou směrech.
- Fototranzistory. Vlastností těchto zařízení je možnost řídit proud tranzistoru přes opto-tranzistor i přes výstupní obvod. Používají se v lineárním i digitálním režimu. Samostatným typem optočlenů jsou optočleny s paralelně spínanými tranzistory. Tato zařízení se nazývají Polovodičová relé.
- Fototyristory. Tyto optočleny se vyznačují zvýšeným výstupním výkonem a rychlostí spínání a jsou užitečné pro řízení výkonové elektroniky. Tato zařízení jsou také klasifikována jako polovodičová relé.
Běžně používané mikroobvody optočlenů jsou sestavy optočlenů s optočlenovými propojeními ve stejném pouzdře. Optočlen se používá jako spínací zařízení a pro další účely.
Výhody a nevýhody
První výhodou optočlenů je, že nemají žádné mechanické části. To znamená, že během provozu nedochází ke tření, opotřebení nebo jiskření kontaktů jako u elektromechanických relé. Na rozdíl od jiných zařízení pro galvanické oddělení signálů (transformátory apod.) mohou optočleny pracovat při velmi nízkých frekvencích, včetně stejnosměrného proudu.
Výhodou optických izolátorů je navíc velmi nízká kapacitní a induktivní vazba mezi vstupem a výstupem. Tím se snižuje pravděpodobnost přenosu impulsů a vysokofrekvenčního rušení. Absence mechanické a elektrické vazby mezi vstupem a výstupem poskytuje širokou škálu technických řešení pro bezkontaktní řídicí a spínací obvody.
Přestože jsou reálné konstrukce omezeny z hlediska napětí a proudu na vstupu a výstupu, neexistují žádné zásadní teoretické překážky pro zvýšení těchto charakteristik. Díky tomu je možné navrhovat optočleny pro téměř všechny aplikace.
Jednou z nevýhod optočlenů je jednosměrný přenos signálů - není možné přenášet optický signál z fotodetektoru zpět do vysílače. To ztěžuje přizpůsobení zpětné vazby obvodu přijímače signálu vysílače.
Odezvu přijímací části lze ovlivnit nejen změnou vyzařování vysílače, ale také ovlivněním stavu kanálu (výskyt cizích objektů, změny optických vlastností média kanálu atd.). Takový vliv může být i neelektrické povahy. To rozšiřuje možnosti použití optočlenů. Necitlivost na vnější elektromagnetická pole umožňuje vytvářet datové kanály s vysokou odolností proti šumu.
Hlavní nevýhodou optočlenů je nízká energetická účinnost způsobená ztrátami signálu spojenými s dvojí konverzí signálu. Za nevýhodu je považována také vysoká vlastní hladina hluku. To snižuje citlivost optočlenů a omezuje jejich použití tam, kde jsou vyžadovány slabé signály.
Při použití optočlenů je třeba brát v úvahu také vliv teploty na jejich parametry - je významný. Mezi nevýhody optočlenů navíc patří znatelná degradace prvků během provozu a určitá technologická nejednotnost výroby spojená s použitím různých polovodičových materiálů ve stejném pouzdře.
Charakteristika optočlenu
Specifikace optočlenů se dělí do dvou kategorií:
- Charakterizace vlastností zařízení pro přenos signálu;
- charakterizující rozpojení mezi vstupem a výstupem.
První kategorií je koeficient přenosu proudu. Závisí na emisivitě LED, citlivosti přijímače a vlastnostech optického kanálu. Jedná se o poměr výstupního a vstupního proudu, který je u většiny typů optočlenů 0,005 až 0,2. Tranzistorové prvky mohou mít zesílení až 1.
Považujeme-li optočlen za kvadrupól, je jeho vstupní charakteristika zcela určena výstupní charakteristikou optoemitoru (LED) a výstupní charakteristikou přijímače. Výstupní charakteristika je obecně nelineární, ale některé typy optočlenů mají lineární části. Například diodový optočlen má dobrou linearitu, ale tento úsek není příliš velký.
Rezistorové prvky se také vyhodnocují podle poměru odporu ve tmě (při vstupním proudu rovném nule) k odporu ve světle. U tyristorových optočlenů je důležitou charakteristikou minimální udržovací proud v rozpojeném stavu. Důležitou vlastností optočlenu je také nejvyšší pracovní frekvence.
Kvalita galvanického oddělení je charakterizována:
- největší napětí přivedené na vstup a výstup;
- nejvyšší napětí mezi vstupem a výstupem;
- izolační odpor mezi vstupem a výstupem;
- Průchozí kapacita.
Poslední parametr charakterizuje schopnost elektrického vysokofrekvenčního signálu procházet ze vstupu na výstup a obcházet optický kanál přes kapacitu mezi elektrodami.
Existují parametry, které určují schopnost vstupního obvodu:
- Nejvyšší napětí, které lze přivést na vstupní vodiče;
- Nejvyšší proud, který LED dioda zvládne;
- Úbytek napětí na LED při jmenovitém proudu;
- Reverzní vstupní napětí - napětí opačné polarity, které LED dioda zvládne.
Pro výstupní obvod budou tyto charakteristiky představovat nejvyšší přípustný výstupní proud a napětí a unikající proud při nulovém vstupním proudu.
Aplikace optočlenů
Optočlen s uzavřeným kanálem se používá tam, kde je z nějakého důvodu (elektrická bezpečnost apod.) vyžadováno oddělení mezi zdrojem signálu a přijímačem. Například ve zpětnovazebních obvodech spínaných napájecích zdrojů - Signál je odebírán z výstupu zdroje napájení a přiváděn do vyzařovacího prvku, jehož jas závisí na úrovni napětí. Z přijímače je odebírán signál závislý na výstupním napětí a přiváděn do regulátoru PWM.
Na obrázku je znázorněno schéma počítačového zdroje napájení se dvěma optočleny. Horní optočlen IC2 zajišťuje zpětnou vazbu stabilizující napětí. Spodní IC3 pracuje v diskrétním režimu a napájí PWM IC, když je přítomno pohotovostní napětí.
Galvanické oddělení mezi zdrojem a přijímačem vyžadují také některá standardní elektrická rozhraní.
Zařízení s otevřeným kanálem se používají k vytvoření snímačů detekce objektů (přítomnost papíru v tiskárně), koncových spínačů, čítačů (položek na dopravním pásu, počtu zubů ozubeného kola v myši atd.) atd.
Polovodičová relé se používají stejně jako běžná relé - pro spínání signálů. Jejich použití je však omezeno vysokým odporem kanálu v otevřeném stavu. Používají se také jako ovladače pro prvky polovodičové výkonové elektroniky (výkonné tranzistory s polem nebo IGBT).
Optron byl vyvinut před více než půl stoletím, ale začal se široce používat až poté, co se staly dostupné a levné LED diody. Nyní se vyvíjejí všechny nové modely optočlenů (většinou mikroobvodů na jejich bázi) a oblast použití se jen rozšiřuje.
Související články:
