Paari "optiline saatja - optiline vastuvõtja" on pikka aega kasutatud elektroonikas ja elektrotehnikas. Elektroonilist komponenti, milles vastuvõtja ja saatja asuvad samas korpuses ja nende vahel on optiline side, nimetatakse optronideks või optronideks.
Optroni disain
Optronid koosnevad optilisest saatjast (emitterist), optilisest kanalist ja optilisest vastuvõtjast. Fotosaatja muudab elektrisignaali optiliseks signaaliks. Saatjaks on enamikul juhtudel LED (varajased mudelid kasutasid hõõg- või neoonpirne). LED-ide kasutamine on põhimõttetu, kuid need on vastupidavamad ja töökindlamad.
Optiline signaal edastatakse optilise kanali kaudu vastuvõtjasse. Kanali saab sulgeda – kui saatja poolt kiiratav valgus ei lähe optroni korpusest kaugemale. Seejärel sünkroniseeritakse vastuvõtja poolt genereeritud signaal saatja sisendis oleva signaaliga. Neid kanaleid saab täita õhuga või täita spetsiaalse optilise ühendiga. Samuti on olemas "pikad" optronid, milles kanal on fiiberoptiline.
Kui optronid on konstrueeritud nii, et tekkiv kiirgus väljub korpusest enne vastuvõtjani jõudmist, nimetatakse seda avatud kanaliks. Seda saab kasutada valguskiire teel olevate takistuste tuvastamiseks.
Fotodetektor muudab optilise signaali tagasi elektriliseks signaaliks. Kõige sagedamini kasutatavad vastuvõtjad on:
- Fotodioodid. Tavaliselt kasutatakse digitaalsetes sideliinides. Neil on väike lineaarne osa.
- Fototakistid. Nende eripäraks on vastuvõtja kahesuunaline juhtivus. Takisti läbiv vool võib liikuda mõlemas suunas.
- Fototransistorid. Selliste seadmete eripäraks on võimalus juhtida transistori voolu nii optotransistori kui ka väljundahela kaudu. Neid kasutatakse nii lineaarses kui ka digitaalses režiimis. Eraldi tüüpi optronid on need, millel on paralleelselt lülitatud väljatransistorid. Neid seadmeid nimetatakse Tahkisreleed.
- Fototüristorid. Selliseid optroneid iseloomustab suurenenud väljundvõimsus ja lülituskiirus, sellised seadmed on mugavad jõuelektroonika elementide juhtimiseks. Need seadmed kuuluvad ka pooljuhtreleede kategooriasse.
Laialt levinud on optroni mikrolülitused - optroni juhtmestikuga optronid ühes pakendis. Selliseid optroneid kasutatakse lülitusseadmetena ja muudel eesmärkidel.
Eelised ja miinused
Esimene optiliste seadmete eelis on mehaaniliste osade puudumine. See tähendab, et töö ajal ei esine hõõrdumist, kulumist ega sädemeid, nagu elektromehaaniliste releede puhul. Erinevalt teistest signaali galvaanilise isolatsiooni seadmetest (trafod jne) võivad optronid töötada väga madalatel sagedustel, sealhulgas alalisvoolul.
Lisaks on optiliste isolaatorite eeliseks väga madal mahtuvuslik ja induktiivne side sisendi ja väljundi vahel.See vähendab impulsi ja kõrgsageduslike häirete edastamise tõenäosust. Mehaanilise ja elektrilise sidestuse puudumine sisendi ja väljundi vahel pakub mitmesuguseid tehnilisi lahendusi mittekontaktsete juhtimis- ja lülitusahelate loomiseks.
Kuigi tegelikel mudelitel on sisendi ja väljundi pinge ja vool piiratud, ei ole nende omaduste suurendamiseks olulisi teoreetilisi takistusi. See võimaldab optroneid ehitada nii, et need sobiksid peaaegu iga rakendusega.
Optronide miinusteks on ühesuunaline signaaliedastus – te ei saa optilist signaali fotodetektorist saatjasse tagasi saata. See raskendab tagasisideahela korraldamist, et sobitada vastuvõtja ahela vastust saatja signaaliga.
Vastuvõtva osa reaktsiooni saab mõjutada mitte ainult saatja kiirguse muutmisega, vaid ka kanali oleku mõjutamisega (võõrkehade ilmumine, kanali kandja optiliste omaduste muutused jne). Selline mõju võib olla mitteelektriline. See avardab optronide kasutamise võimalusi. Tundmatus väliste elektromagnetväljade suhtes võimaldab teil luua kõrge mürakindlusega andmekanaleid.
Optronite peamiseks puuduseks on madal energiatõhusus, mis on seotud signaali kadudega signaali topeltmuundamisel. Puuduseks peetakse ka kõrget sisemist mürataset. See vähendab optroni tundlikkust ja piirab nende kasutamist seal, kus on vaja nõrka signaali.
Optronide kasutamisel tuleb arvestada temperatuuri mõjuga nende parameetritele - see on märkimisväärne.Lisaks on optronide miinusteks elementide märgatav halvenemine töö ajal ja teatav tehnoloogia puudumine tootmises, mis on seotud erinevate pooljuhtmaterjalide kasutamisega ühes pakendis.
Optosidisti omadused
Optosi parameetrid jagunevad kahte kategooriasse:
- Seadme omaduste iseloomustamine signaali edastamiseks;
- iseloomustavad sisendi ja väljundi lahtisidumist.
Esimene kategooria on jooksev ülekandekoefitsient. See sõltub LED-i kiirgusvõimest, vastuvõtja tundlikkusest ja optilise kanali omadustest. See koefitsient on võrdne väljundvoolu ja sisendvoolu suhtega ning enamiku optronitüüpide puhul on see 0,005 ... 0,2. Transistori elementide ülekandetegur on kuni 1.
Kui vaadelda optronit kvadrupoolina, määrab selle sisendkarakteristiku täielikult voltmeeter (LED) ja väljundkarakteristiku määrab vastuvõtja karakteristik. Sisendkarakteristikud on üldiselt mittelineaarsed, kuid teatud tüüpi optronidel on lineaarsed sektsioonid. Näiteks heal lineaarsusel on osa dioodi optroni WAV-st, kuid see lõik ei ole väga suur.
Takisti elemente hinnatakse ka tumetakistuse (nulliga võrdsel sisendvoolul) ja valgustakistuse suhtega. Türistori optronide puhul on oluline omadus minimaalne hoidevool avatud olekus. Suurim töösagedus on ka optroni oluline omadus.
Galvaanilise isolatsiooni kvaliteeti iseloomustavad:
- suurim sisendile ja väljundile rakendatav pinge;
- suurim pinge sisendi ja väljundi vahel;
- isolatsioonitakistus sisendi ja väljundi vahel;
- läbilaskevõimet.
Viimane parameeter iseloomustab elektrilise kõrgsagedusliku signaali võimet lekkida sisendist väljundisse, optilisest kanalist mööda minnes läbi elektroodidevahelise mahtuvuse.
Sisendahela võimaluste määramiseks on parameetreid:
- Suurim pinge, mida saab sisendjuhtmetele rakendada;
- Suurim vool, mida LED suudab taluda;
- LED-i pingelang nimivoolul;
- vastupidine sisendpinge – vastupidise polaarsusega pinge, millega LED suudab toime tulla.
Väljundahela puhul on need omadused suurim lubatud voolu ja pinge väljund ning lekkevool sisendvoolu nulli juures.
Optronide rakendused
Suletud kanaliga optrosidreid kasutatakse seal, kus mingil põhjusel (elektriohutus vms) on vaja signaaliallika ja vastuvõtja lahtisidumist. Näiteks tagasiside ahelates lülitustoiteallikatest - signaal võetakse PSU väljundist, suunatakse kiirgavale elemendile, mille heledus sõltub pingetasemest. Väljundpingest sõltuv signaal võetakse vastuvõtjast ja suunatakse PWM-kontrollerisse.
Kahe optroniga arvuti toiteallika skeem on näidatud joonisel. Ülemine optronid IC2 loob pinget stabiliseeriva tagasiside. Alumine IC3 töötab diskreetrežiimis ja varustab ooterežiimi pinge olemasolul PWM IC-d.
Mõned standardsed elektriliidesed nõuavad ka galvaanilist isolatsiooni allika ja vastuvõtja vahel.
Avatud kanaliga seadmeid kasutatakse andurite loomiseks mis tahes objektide tuvastamiseks (paberi olemasolu printeris), piirlülitid, loendurid (objektid konveierilindil, hammasrataste arv hiire manipulaatorites) jne.
Tahkisreleed kasutatakse samamoodi nagu tavalisi releed - signaalide lülitamiseks. Kuid nende levikut piirab kanali suur takistus avatud olekus. Neid kasutatakse ka tahkis-jõuelektroonika elementide draiverina (suure võimsusega väljaefektiga või IGBT-transistorid).
Optroon töötati välja üle poole sajandi tagasi, kuid selle laialdane kasutamine algas pärast seda, kui LED-id muutusid kättesaadavaks ja odavaks. Nüüd on väljatöötamisel kõik uued optronid (peamiselt nendel põhinevad kiibid) mudelid, mille kasutusvaldkond ainult laieneb.
Seotud artiklid:
