Optinen lähetin - optinen vastaanotin -paria on käytetty pitkään elektroniikassa ja sähkötekniikassa. Elektroniikkakomponenttia, jossa vastaanotin ja lähetin sijaitsevat samassa kotelossa ja niiden välillä on optinen yhteys, kutsutaan optokytkimeksi tai optokytkimeksi.
Sisältö
Optron Design
Optronit koostuvat optisesta lähettimestä (emitteristä), optisesta kanavasta ja optisesta vastaanottimesta. Valolähetin muuntaa sähköisen signaalin optiseksi signaaliksi. Lähetin on useimmissa tapauksissa LED (varhaisissa malleissa käytettiin hehkulamppuja tai neonlamput). Ledien käyttö ei ole välttämätöntä, mutta ne ovat kestävämpiä ja luotettavampia.
Optinen signaali lähetetään optisen kanavan kautta vastaanottimeen. Kanava voi olla suljettu, kun lähettimen lähettämä valo ei poistu optokytkimen rungosta. Vastaanottimen tuottama signaali synkronoidaan sitten lähettimen tulossa olevan signaalin kanssa. Nämä kanavat voivat olla ilmatäytteisiä tai täytetty erityisellä optisella yhdisteellä. On olemassa myös "pitkiä" optoerottimia, joissa kanava on "pitkä". valokuitu.
Jos optokytkin on suunniteltu siten, että syntyvä säteily poistuu kotelosta ennen kuin se saavuttaa vastaanottimen, sitä kutsutaan avoimeksi kanavaksi. Sen avulla voidaan havaita valonsäteen tiellä olevat esteet.
Fotodetektori muuntaa optisen signaalin takaisin sähköiseksi signaaliksi. Yleisimmin käytetyt vastaanottimet ovat:
- Fotodiodit. Käytetään tyypillisesti digitaalisissa tietoliikennelinjoissa. Niiden lineaarinen jänneväli on pieni.
- Fotoresistorit. Niiden erityispiirre on vastaanottimen kaksisuuntainen johtavuus. Virta voi kulkea vastuksen läpi kumpaankin suuntaan.
- Fototransistorit. Näiden laitteiden erityispiirteenä on kyky ohjata transistorin virtaa optotransistorin sekä lähtöpiirin kautta. Niitä käytetään sekä lineaarisessa että digitaalisessa tilassa. Erillinen optoerottimien tyyppi ovat ne, joissa on rinnakkain kytkettyjä kenttäefektitransistoreja. Näitä laitteita kutsutaan Kiinteän tilan releet.
- Fototyristorit. Näille optoerottimille on ominaista niiden lisääntynyt lähtöteho ja kytkentänopeus, ja ne ovat hyödyllisiä tehoelektroniikan ohjauksessa. Nämä laitteet luokitellaan myös puolijohdereleiksi.
Yleisesti käytetyt optokytkinmikropiirit ovat optokytkinkokoonpanoja, joissa on samassa pakkauksessa olevat optokytkinliitännät. Optoelementtejä käytetään kytkentälaitteina ja muihin tarkoituksiin.
Edut ja haitat
Optokytkimien ensimmäinen etu on se, että niissä ei ole mekaanisia osia. Tämä tarkoittaa, että käytön aikana ei esiinny kitkaa, kulumista tai kipinöintiä kosketuksissa, kuten sähkömekaanisissa releissä. Toisin kuin muut galvaaniset signaalieristyslaitteet (muuntajat jne.) optoerottimet voivat toimia hyvin matalilla taajuuksilla, myös tasavirralla.
Lisäksi optisten erottimien etuna on erittäin alhainen kapasitiivinen ja induktiivinen kytkentä tulon ja lähdön välillä. Tämä vähentää impulssi- ja suurtaajuushäiriöiden todennäköisyyttä. Koska tulon ja lähdön välillä ei ole mekaanista tai sähköistä kytkentää, se tarjoaa monenlaisia teknisiä ratkaisuja kosketuksettomiin ohjaus- ja kytkentäpiireihin.
Vaikka todelliset mallit ovat rajoitettuja tulon ja lähdön jännitteen ja virran suhteen, näiden ominaisuuksien kasvattamiselle ei ole mitään perustavanlaatuisia teoreettisia esteitä. Tämän ansiosta optoparit voidaan suunnitella lähes kaikkiin sovelluksiin.
Yksi optokytkimien haittapuolista on signaalien yksisuuntainen siirto - optista signaalia ei ole mahdollista siirtää valonilmaisimesta takaisin lähettimeen. Tämä vaikeuttaa vastaanottopiirin takaisinkytkennän sovittamista lähettimen signaaliin.
Vastaanottavan osan vasteeseen voidaan vaikuttaa paitsi muuttamalla lähettimen säteilyä myös vaikuttamalla kanavan tilaan (ulkoisten kohteiden esiintyminen, kanavan väliaineen optisten ominaisuuksien muutokset jne.). Tällainen vaikutus voi olla myös luonteeltaan ei-sähköinen. Tämä laajentaa optoerottimien käyttömahdollisuuksia. Ulkoisille sähkömagneettisille kentille reagoimattomuuden ansiosta voidaan luoda datakanavia, joilla on korkea häiriönsietokyky.
Optokytkimien suurin haittapuoli on alhainen energiatehokkuus, joka johtuu signaalin kaksinkertaiseen muuntamiseen liittyvistä signaalihäviöistä. Haittapuolena pidetään myös korkeaa melutasoa. Tämä vähentää optoerottimien herkkyyttä ja rajoittaa niiden käyttöä, kun tarvitaan heikkoja signaaleja.
Optoparistoja käytettäessä on otettava huomioon myös lämpötilan vaikutus niiden parametreihin - se on merkittävä. Lisäksi optoerottimien haittapuolina ovat elementtien huomattava hajoaminen käytön aikana ja tietty teknologiapuute tuotannossa, joka liittyy eri puolijohdemateriaalien käyttöön samassa pakkauksessa.
Optokytkimen ominaisuudet
Optokytkimien tekniset tiedot jaetaan kahteen luokkaan:
- Laitteen ominaisuuksien kuvaaminen signaalin lähettämistä varten;
- joka kuvaa tulon ja lähdön välistä irtikytkentää.
Ensimmäinen luokka on virransiirtokerroin. Se riippuu ledin emissiivisyydestä, vastaanottimen herkkyydestä ja optisen kanavan ominaisuuksista. Tämä on lähtövirran ja tulovirran suhde, ja useimmilla optokytkimetyypeillä se on 0,005-0,2. Transistorielementtien vahvistus voi olla jopa 1.
Jos optokytkintä pidetään nelipuolisena, sen tulo-ominaisuus määräytyy täysin optoemitterin (LED) lähtöominaisuuden ja vastaanottimen lähtöominaisuuden perusteella. Lähtöominaisuus on yleensä epälineaarinen, mutta joissakin optoerottimissa on lineaarisia osia. Esimerkiksi diodioptokytkimellä on hyvä lineaarisuus, mutta tämä osa ei ole kovin suuri.
Vastuselementtejä arvioidaan myös pimeän resistanssin (tulovirran ollessa nolla) ja vaalean resistanssin suhteen perusteella. Tyristori-optokytkimien tärkeä ominaisuus on pienin pitovirta avoimessa tilassa. Myös korkein toimintataajuus on optokytkimen tärkeä ominaisuus.
Galvaanisen eristyksen laadulle on ominaista:
- suurin tuloon ja lähtöön kohdistuva jännite;
- korkein jännite tulon ja lähdön välillä;
- eristysresistanssi tulon ja lähdön välillä;
- Läpäisykapasitanssi.
Jälkimmäinen parametri kuvaa sähköisen suurtaajuussignaalin kykyä siirtyä tulosta lähtöön ohittaen optisen kanavan elektrodien välisen kapasitanssin kautta.
Tulopiirin kyvykkyyden määrittämiseksi on olemassa parametreja:
- Suurin jännite, joka voidaan syöttöjohtimiin syöttää;
- Suurin virta, jota LED voi käsitellä;
- Jännitehäviö LEDin yli nimellisvirralla;
- Käänteinen tulojännite - käänteisen napaisuuden jännite, jota LED voi käsitellä.
Lähtöpiirin osalta nämä ominaisuudet ovat suurin sallittu virta- ja jännitelähtö sekä vuotovirta nollatulovirralla.
Optokytkimien sovellukset
Optokytkimiä, joissa on suljettu kanava, käytetään silloin, kun jostain syystä (sähköturvallisuus tms.) tarvitaan signaalilähteen ja vastaanottimen välistä erottelua. Esimerkiksi seuraavissa takaisinkytkentäpiireissä kytkentätoimisten teholähteiden - Signaali otetaan virtalähteen ulostulosta ja syötetään säteilevään elementtiin, jonka kirkkaus riippuu jännitetasosta. Vastaanottimesta otetaan lähtöjännitteestä riippuva signaali, joka syötetään PWM-säätimelle.
Kuvassa on kaaviokuva tietokoneen virtalähteestä, jossa on kaksi optoerotinta. Ylempi optoerotin IC2 tarjoaa jännitettä vakauttavan takaisinkytkennän. Alempi IC3 toimii erillisessä tilassa ja syöttää virtaa PWM-IC:lle, kun valmiusjännite on läsnä.
Joissakin sähköisissä standardiliitännöissä edellytetään myös galvaanista eristystä lähteen ja vastaanottimen välillä.
Avoimen kanavan laitteita käytetään muun muassa kohteiden tunnistamiseen (paperin läsnäolo tulostimessa), rajakytkimiin, laskureihin (kuljetushihnalla olevat kappaleet, hiiren hammaspyörän hampaiden lukumäärä jne.).
Kiinteän tilan releitä käytetään samaan tapaan kuin perinteisiä releitä - signaalien kytkemiseen. Niiden käyttöä rajoittaa kuitenkin kanavan suuri vastus avoimessa tilassa. Niitä käytetään myös kiinteän tehoelektroniikan elementtien ohjaimina (suuritehoiset kenttäefekti- tai IGBT-transistorit).
Optron kehitettiin yli puoli vuosisataa sitten, mutta sitä alettiin käyttää laajalti sen jälkeen, kun LEDit tulivat saataville ja halvoiksi. Nyt on kehitteillä uusia optoelementtimalleja (useimmiten niihin perustuvia mikropiirejä), ja niiden käyttöala vain laajenee.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
