Το ζεύγος οπτικός πομπός - οπτικός δέκτης χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό στην ηλεκτρονική και την ηλεκτρολογία. Ένα ηλεκτρονικό εξάρτημα στο οποίο ο δέκτης και ο πομπός βρίσκονται στο ίδιο περίβλημα και υπάρχει οπτική επικοινωνία μεταξύ τους ονομάζεται οπτοζεύκτης ή οπτοζεύκτης.
Περιεχόμενα
Σχεδιασμός Optron
Τα οπτρόνια αποτελούνται από έναν οπτικό πομπό (πομπό), ένα οπτικό κανάλι και έναν οπτικό δέκτη. Ο πομπός φωτός μετατρέπει ένα ηλεκτρικό σήμα σε οπτικό σήμα. Ο πομπός είναι στις περισσότερες περιπτώσεις LED (τα πρώτα μοντέλα χρησιμοποιούσαν λαμπτήρες πυρακτώσεως ή νέον). Η χρήση των LED δεν είναι ζωτικής σημασίας, αλλά είναι πιο ανθεκτικές και αξιόπιστες.
Το οπτικό σήμα μεταδίδεται μέσω ενός οπτικού καναλιού στον δέκτη. Το κανάλι μπορεί να είναι κλειστό - όταν το φως που εκπέμπεται από τον πομπό δεν εξέρχεται από το σώμα του οπτοζεύκτη. Το σήμα που παράγεται από τον δέκτη συγχρονίζεται στη συνέχεια με το σήμα στην είσοδο του πομπού. Αυτά τα κανάλια μπορούν να είναι γεμάτα με αέρα ή με ειδική οπτική ένωση. Υπάρχουν επίσης "μακριές" οπτοζεύξεις όπου το κανάλι είναι οπτικές ίνες.
Εάν ο οπτοζεύκτης έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε η παραγόμενη ακτινοβολία να εγκαταλείπει το περίβλημα πριν φτάσει στο δέκτη, ονομάζεται ανοικτό κανάλι. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση εμποδίων στη διαδρομή της δέσμης φωτός.
Ο φωτοανιχνευτής μετατρέπει το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό σήμα. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι δέκτες είναι:
- Φωτοδίοδοι. Συνήθως χρησιμοποιείται σε ψηφιακές γραμμές επικοινωνίας. Έχουν μικρή γραμμική έκταση.
- Φωτοαντιστάσεις. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό τους είναι η αμφίδρομη αγωγιμότητα του δέκτη. Το ρεύμα μπορεί να διαρρέει τον αντιστάτη προς οποιαδήποτε κατεύθυνση.
- Φωτοτρανζίστορ. Ένα χαρακτηριστικό αυτών των διατάξεων είναι η δυνατότητα ελέγχου του ρεύματος του τρανζίστορ μέσω του οπτοτρανζίστορ, καθώς και μέσω του κυκλώματος εξόδου. Χρησιμοποιούνται τόσο σε γραμμική όσο και σε ψηφιακή λειτουργία. Ένας ξεχωριστός τύπος οπτοζεύκτες είναι εκείνοι με τρανζίστορ επίδρασης πεδίου που ενεργοποιούνται παράλληλα. Οι συσκευές αυτές ονομάζονται Ρελέ στερεάς κατάστασης.
- Φωτοθυρίστορ. Αυτοί οι οπτοζεύκτες χαρακτηρίζονται από αυξημένη ισχύ εξόδου και ταχύτητα μεταγωγής και είναι χρήσιμοι για τον έλεγχο ηλεκτρονικών ισχύος. Οι συσκευές αυτές ταξινομούνται επίσης ως ρελέ στερεάς κατάστασης.
Τα μικροκυκλώματα οπτοζεύκτη που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι συγκροτήματα οπτοζεύκτη με διασυνδέσεις οπτοζεύκτη στην ίδια συσκευασία. Οι οπτοζεύκτες χρησιμοποιούνται ως διατάξεις μεταγωγής και για άλλους σκοπούς.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Το πρώτο πλεονέκτημα των οπτοζεύξεων είναι ότι δεν διαθέτουν μηχανικά μέρη. Αυτό σημαίνει ότι κατά τη λειτουργία δεν υπάρχει τριβή, φθορά ή σπινθηρισμός των επαφών, όπως συμβαίνει με τους ηλεκτρομηχανικούς ηλεκτρονόμους. Σε αντίθεση με άλλες διατάξεις γαλβανικής απομόνωσης σήματος (μετασχηματιστές κ.λπ.), οι οπτοζεύκτες μπορούν να λειτουργούν σε πολύ χαμηλές συχνότητες, συμπεριλαμβανομένου του συνεχούς ρεύματος.
Επιπλέον, το πλεονέκτημα των οπτικών απομονωτών είναι η πολύ χαμηλή χωρητική και επαγωγική σύζευξη μεταξύ εισόδου και εξόδου. Αυτό μειώνει την πιθανότητα μετάδοσης παλμών και παρεμβολών υψηλής συχνότητας. Η απουσία μηχανικής και ηλεκτρικής σύζευξης μεταξύ της εισόδου και της εξόδου παρέχει ένα ευρύ φάσμα τεχνικών λύσεων για κυκλώματα ελέγχου και μεταγωγής χωρίς επαφή.
Παρόλο που τα σχέδια του πραγματικού κόσμου είναι περιορισμένα όσον αφορά την τάση και το ρεύμα για την είσοδο και την έξοδο, δεν υπάρχουν θεμελιώδη θεωρητικά εμπόδια για την αύξηση αυτών των χαρακτηριστικών. Αυτό καθιστά δυνατή τη σχεδίαση οπτοζεύγους για σχεδόν κάθε εφαρμογή.
Ένα από τα μειονεκτήματα των οπτοζεύξεων είναι η μονόδρομη μετάδοση σημάτων - δεν είναι δυνατή η μετάδοση ενός οπτικού σήματος από τον φωτοανιχνευτή πίσω στον πομπό. Αυτό καθιστά δύσκολη την προσαρμογή της ανατροφοδότησης του κυκλώματος του δέκτη στο σήμα του πομπού.
Η απόκριση του τμήματος λήψης μπορεί να επηρεαστεί όχι μόνο με την αλλαγή της εκπομπής του πομπού, αλλά και με την επιρροή της κατάστασης του καναλιού (εμφάνιση ξένων αντικειμένων, αλλαγές στις οπτικές ιδιότητες του μέσου του καναλιού κ.λπ.). Η επιρροή αυτή μπορεί να είναι και μη ηλεκτρικής φύσης. Αυτό διευρύνει τις δυνατότητες χρήσης οπτοζεύγους. Η αναισθησία στα εξωτερικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία καθιστά δυνατή τη δημιουργία καναλιών δεδομένων με υψηλή ανοσία στο θόρυβο.
Το κύριο μειονέκτημα των οπτοζεύξεων είναι η χαμηλή ενεργειακή απόδοση λόγω των απωλειών σήματος που συνδέονται με τη διπλή μετατροπή του σήματος. Μειονέκτημα θεωρείται επίσης το υψηλό εγγενές επίπεδο θορύβου. Αυτό μειώνει την ευαισθησία των οπτοζεύξεων και περιορίζει την εφαρμογή τους, όπου απαιτούνται ασθενή σήματα.
Όταν χρησιμοποιούνται οπτοζεύκτες, πρέπει επίσης να λαμβάνεται υπόψη η επίδραση της θερμοκρασίας στις παραμέτρους τους - είναι σημαντική. Επιπλέον, τα μειονεκτήματα των οπτοζεύξεων περιλαμβάνουν την αισθητή υποβάθμιση των στοιχείων κατά τη λειτουργία και μια ορισμένη έλλειψη τεχνολογίας στην παραγωγή που συνδέεται με τη χρήση διαφορετικών ημιαγωγικών υλικών στο ίδιο περίβλημα.
Χαρακτηριστικά οπτοζεύκτη
Οι προδιαγραφές των οπτοζεύξεων χωρίζονται σε δύο κατηγορίες:
- Χαρακτηρισμός των ιδιοτήτων της συσκευής για τη μετάδοση ενός σήματος,
- που χαρακτηρίζει την αποσύνδεση μεταξύ εισόδου και εξόδου.
Η πρώτη κατηγορία είναι ο συντελεστής μεταφοράς ρεύματος. Εξαρτάται από τον συντελεστή εκπομπής της λυχνίας LED, την ευαισθησία του δέκτη και τις ιδιότητες του οπτικού καναλιού. Αυτός είναι ο λόγος του ρεύματος εξόδου προς το ρεύμα εισόδου και για τους περισσότερους τύπους οπτοζεύγους είναι 0,005 έως 0,2. Τα στοιχεία τρανζίστορ μπορούν να έχουν κέρδος έως και 1.
Αν θεωρήσετε έναν οπτοζεύκτη ως τετραπολικό, η χαρακτηριστική εισόδου του καθορίζεται εξ ολοκλήρου από τη χαρακτηριστική εξόδου του οπτοεκπομπού (LED) και τη χαρακτηριστική εξόδου του δέκτη. Η χαρακτηριστική εξόδου είναι γενικά μη γραμμική, αλλά ορισμένοι τύποι οπτοζεύγους διαθέτουν γραμμικά τμήματα. Για παράδειγμα, ένας οπτοζεύκτης διόδου έχει καλή γραμμικότητα, αλλά το τμήμα αυτό δεν είναι πολύ μεγάλο.
Τα στοιχεία αντίστασης αξιολογούνται επίσης με βάση το λόγο της σκοτεινής αντίστασης (σε ρεύμα εισόδου ίσο με μηδέν) προς τη φωτεινή αντίσταση. Για τους οπτοζεύκτες θυρίστορ ένα σημαντικό χαρακτηριστικό είναι το ελάχιστο ρεύμα συγκράτησης στην ανοικτή κατάσταση. Η υψηλότερη συχνότητα λειτουργίας είναι επίσης ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του οπτοζεύκτη.
Η ποιότητα της γαλβανικής απομόνωσης χαρακτηρίζεται από:
- τη μεγαλύτερη τάση που εφαρμόζεται στην είσοδο και την έξοδο,
- η υψηλότερη τάση μεταξύ της εισόδου και της εξόδου,
- Αντίσταση μόνωσης μεταξύ εισόδου και εξόδου,
- Χωρητικότητα διέλευσης.
Η τελευταία παράμετρος χαρακτηρίζει την ικανότητα ενός ηλεκτρικού σήματος υψηλής συχνότητας να περνάει από την είσοδο στην έξοδο, παρακάμπτοντας το οπτικό κανάλι, μέσω της χωρητικότητας μεταξύ των ηλεκτροδίων.
Υπάρχουν παράμετροι για τον προσδιορισμό της ικανότητας του κυκλώματος εισόδου:
- Η μεγαλύτερη τάση που μπορεί να εφαρμοστεί στα καλώδια εισόδου,
- Το υψηλότερο ρεύμα που μπορεί να διαχειριστεί η λυχνία LED,
- Η πτώση τάσης στο LED στο ονομαστικό ρεύμα,
- Αντίστροφη τάση εισόδου - η τάση αντίστροφης πολικότητας που μπορεί να διαχειριστεί η λυχνία LED.
Για το κύκλωμα εξόδου, αυτά τα χαρακτηριστικά θα είναι το υψηλότερο επιτρεπόμενο ρεύμα και τάση εξόδου και το ρεύμα διαρροής σε μηδενικό ρεύμα εισόδου.
Εφαρμογές για οπτοζεύγη
Οι οπτοζεύκτες με κλειστό κανάλι χρησιμοποιούνται όταν για κάποιο λόγο (ηλεκτρική ασφάλεια κ.λπ.) απαιτείται αποσύνδεση μεταξύ της πηγής σήματος και του δέκτη. Για παράδειγμα, στα κυκλώματα ανάδρασης των των τροφοδοτικών διακοπτόμενης λειτουργίας - Το σήμα λαμβάνεται από την έξοδο του τροφοδοτικού, τροφοδοτείται στο στοιχείο εκπομπής, η φωτεινότητα του οποίου εξαρτάται από το επίπεδο τάσης. Ένα σήμα που εξαρτάται από την τάση εξόδου λαμβάνεται από τον δέκτη και τροφοδοτείται στον ελεγκτή PWM.
Στο σχήμα φαίνεται ένα σχηματικό διάγραμμα ενός τροφοδοτικού υπολογιστή με δύο οπτοζεύγη. Ο ανώτερος οπτοζεύκτης IC2 παρέχει τη σταθεροποιητική ανάδραση τάσης. Το κατώτερο IC3 λειτουργεί σε διακριτή λειτουργία και τροφοδοτεί με ρεύμα το ολοκληρωμένο κύκλωμα PWM όταν υπάρχει τάση αναμονής.
Η γαλβανική απομόνωση μεταξύ πηγής και δέκτη απαιτείται επίσης από ορισμένες τυποποιημένες ηλεκτρικές διεπαφές.
Οι συσκευές ανοικτού καναλιού χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία αισθητήρων ανίχνευσης αντικειμένων (παρουσία χαρτιού σε εκτυπωτή), οριακών διακοπτών, μετρητών (αντικείμενα σε ιμάντα μεταφοράς, αριθμός δοντιών γραναζιών σε ποντίκι κ.λπ.) κ.λπ.
Οι ηλεκτρονόμοι στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούνται με τον ίδιο τρόπο όπως οι συμβατικοί ηλεκτρονόμοι - για τη μεταγωγή σημάτων. Ωστόσο, η χρήση τους περιορίζεται από την υψηλή αντίσταση του καναλιού στην ανοικτή κατάσταση. Χρησιμοποιούνται επίσης ως οδηγοί για στοιχεία των ηλεκτρονικών ισχύος στερεάς κατάστασης (τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος ή IGBT υψηλής ισχύος).
Το optron αναπτύχθηκε πάνω από μισό αιώνα πριν, αλλά άρχισε να χρησιμοποιείται ευρέως μετά τη διαθεσιμότητα και την ανέξοδη τιμή των LED. Τώρα αναπτύσσονται όλα τα νέα μοντέλα οπτοζεύγους (κυρίως μικροκυκλώματα που βασίζονται σε αυτά) και ο τομέας εφαρμογής επεκτείνεται συνεχώς.
Σχετικά άρθρα:
