Parret optisk sender - optisk modtager har længe været anvendt i elektronik og elektroteknik. En elektronisk komponent, hvor modtageren og senderen er placeret i samme kabinet, og hvor der er optisk kommunikation mellem dem, kaldes en optokobler eller optokobler.
Optron Design
Optroner består af en optisk sender (emitter), en optisk kanal og en optisk modtager. Lyssenderen konverterer et elektrisk signal til et optisk signal. Senderen er i de fleste tilfælde en LED (tidlige modeller brugte gløde- eller neonpærer). Det er ikke afgørende, at der anvendes LED'er, men de er mere holdbare og pålidelige.
Det optiske signal overføres via en optisk kanal til modtageren. Kanalen kan være lukket - når det lys, der udsendes af senderen, ikke forlader optokoblerens krop. Det signal, der genereres af modtageren, synkroniseres derefter med signalet ved indgangen til senderen. Disse kanaler kan være luftfyldte eller fyldt med en særlig optisk forbindelse. Der findes også "lange" optokoblere, hvor kanalen er fiberoptisk.
Hvis optokobleren er konstrueret således, at den genererede stråling forlader kabinettet, inden den når frem til modtageren, kaldes den en åben kanal. Den kan bruges til at registrere forhindringer i lysstrålens bane.
Fotodetektoren konverterer det optiske signal tilbage til et elektrisk signal. De mest almindeligt anvendte modtagere er:
- Fotodioder. Typisk anvendt i digitale kommunikationslinjer. De har en lille lineær spændvidde.
- Fotoresistorer. Deres særlige kendetegn er modtagerens tovejs ledningsevne. Strømmen kan løbe gennem modstanden i begge retninger.
- Fototransistorer. Et af disse enheder har evnen til at styre transistorens strøm gennem opto-transistoren og gennem udgangskredsløbet. De anvendes både i lineær og digital tilstand. En anden type optokoblere er dem med felteffekttransistorer, der er parallelkoblet. Disse anordninger kaldes Faststof-relæer.
- Fotothyristorer. Disse optokoblere er kendetegnet ved deres øgede udgangseffekt og koblingshastighed og er nyttige til styring af effektelektronik. Disse enheder klassificeres også som solid state-relæer.
Almindeligt anvendte optokobler-mikrokredsløb er optokobler-samlinger med optokobler-forbindelser i samme pakke. Optokoblere anvendes som koblingsenheder og til andre formål.
Fordele og ulemper
Den første fordel ved optokoblere er, at de ikke har nogen mekaniske dele. Det betyder, at der under driften ikke er nogen friktion, slitage eller gnister fra kontakterne, som det er tilfældet med elektromekaniske relæer. I modsætning til andre galvaniske signalisolationsanordninger (transformatorer osv.) kan optokoblere fungere ved meget lave frekvenser, herunder jævnstrøm.
Desuden er fordelen ved optiske isolatorer den meget lave kapacitive og induktive kobling mellem ind- og udgang. Dette mindsker sandsynligheden for impulstransmission og højfrekvente interferens. Manglen på mekanisk og elektrisk kobling mellem ind- og udgang giver en lang række tekniske løsninger til berøringsfri kontrol- og koblingskredsløb.
Selv om virkelige konstruktioner er begrænsede med hensyn til spænding og strømstyrke for ind- og udgang, er der ingen grundlæggende teoretiske hindringer for at øge disse egenskaber. Dette gør det muligt at designe optokoblere til næsten alle anvendelser.
En af ulemperne ved optokoblere er den ensrettede transmission af signaler - det er ikke muligt at sende et optisk signal fra fotodetektoren tilbage til senderen. Dette gør det vanskeligt at tilpasse modtagerkredsløbets feedback til sendersignalet.
Modtagerens respons kan ikke kun påvirkes ved at ændre senderens emission, men også ved at påvirke kanalens tilstand (fremmede genstande, ændringer i kanalmediets optiske egenskaber osv.). En sådan påvirkning kan også være af ikke-elektrisk karakter. Dette udvider mulighederne for at bruge optokoblere. Ufølsomheden over for eksterne elektromagnetiske felter gør det muligt at skabe datakanaler med høj støjimmunitet.
Den største ulempe ved optokoblere er den lave energieffektivitet på grund af signaltab i forbindelse med den dobbelte konvertering af signalet. En anden ulempe er det høje iboende støjniveau. Dette reducerer følsomheden af optokoblere og begrænser deres anvendelse, hvor der er behov for svage signaler.
Når du bruger optokoblere, skal du også tage højde for temperaturens indflydelse på deres parametre - den er betydelig. Ulemperne ved optokoblere er desuden en mærkbar nedbrydning af elementerne under drift og en vis mangel på teknologi i produktionen i forbindelse med anvendelsen af forskellige halvledermaterialer i samme kabinet.
Optokobler-egenskaber
Specifikationerne for optokoblere er opdelt i to kategorier:
- Karakterisering af egenskaberne ved enheden til at transmittere et signal;
- karakteriserer afkoblingen mellem input og output.
Den første kategori er strømoverførselskoefficienten. Den afhænger af LED'ens emissivitet, modtagerens følsomhed og den optiske kanals egenskaber. Dette er forholdet mellem udgangsstrøm og indgangsstrøm, og for de fleste optokoblere er det 0,005 til 0,2. Transistorelementer kan have en forstærkning på helt op til 1.
Hvis vi betragter en optokobler som en firepol, bestemmes dens indgangskarakteristik udelukkende af udgangskarakteristikken for opto-emitteren (LED) og udgangskarakteristikken for modtageren. Udgangskarakteristikken er generelt ikke-lineær, men nogle typer optokoblere har lineære dele. F.eks. har en diodeoptokobler en god linearitet, men denne sektion er ikke særlig stor.
Modstandselementer vurderes også ud fra forholdet mellem mørkemodstanden (ved en indgangsstrøm lig nul) og lysmodstanden. For thyristoroptokoblere er en vigtig egenskab den minimale holdestrøm i åben tilstand. Den højeste driftsfrekvens er også en vigtig egenskab ved en optokobler.
Kvaliteten af den galvaniske isolation er karakteriseret ved:
- den største spænding, der påføres indgangen og udgangen;
- den højeste spænding mellem indgang og udgang;
- isolationsmodstand mellem indgang og udgang;
- Gennemgangskapacitet.
Sidstnævnte parameter karakteriserer evnen for et elektrisk højfrekvent signal til at passere fra indgang til udgang, uden om den optiske kanal, gennem kapacitansen mellem elektroderne.
Der er parametre til at bestemme indgangskredsløbets kapacitet:
- Den største spænding, der kan påføres indgangsledningerne;
- Den højeste strømstyrke, som LED'en kan klare;
- Spændingsfaldet over LED'en ved den nominelle strøm;
- Omvendt indgangsspænding - den omvendte polaritetsspænding, som LED'en kan håndtere.
For udgangskredsløbet vil disse egenskaber være den højeste tilladte strøm- og spændingsudgang og lækstrømmen ved nul indgangsstrøm.
Anvendelser for optokoblere
Optokoblere med lukket kanal anvendes, når der af en eller anden grund (elektrisk sikkerhed osv.) kræves en afkobling mellem signalkilde og modtager. I tilbagekoblingskredsløbene i f.eks. af switched-mode strømforsyninger - Signalet tages fra PSU'ens udgang og føres til det lysende element, hvis lysstyrke afhænger af spændingsniveauet. Et signal, der afhænger af udgangsspændingen, tages fra modtageren og sendes til PWM-controlleren.
Et skematisk diagram af en computer PSU med to optokoblere er vist i figuren. Den øverste optokobler IC2 leverer den spændingsstabiliserende feedback. Den nederste IC3 fungerer i diskret tilstand og leverer strøm til PWM-IC'en, når standby-spændingen er til stede.
Galvanisk isolation mellem kilde og modtager er også et krav i nogle standardiserede elektriske grænseflader.
Åbne kanal-enheder bruges til at skabe sensorer til objektdetektion (tilstedeværelse af papir i en printer), grænsekontakter, tællere (emner på et transportbånd, antal tandhjul i en mus osv.) osv.
Faststofrelæer anvendes på samme måde som konventionelle relæer - til at skifte signaler. Deres anvendelse er dog begrænset af kanalens høje modstand i åben tilstand. De anvendes også som drivere til elementer i faststof-kraftelektronik (høj-effekt- eller IGBT-transistorer med høj effekt).
Optronen blev udviklet for over et halvt århundrede siden, men blev udbredt, efter at LED'er blev tilgængelige og billige. Nu udvikles der alle nye modeller af optokoblere (for det meste mikrokredsløb baseret på dem), og anvendelsesområdet bliver stadig større.
Relaterede artikler:
