Az optikai adó - optikai vevő párost már régóta használják az elektronikában és az elektrotechnikában. Az olyan elektronikus alkatrészt, amelyben a vevő és az adó ugyanabban a házban van elhelyezve, és optikai kommunikáció van közöttük, optocsatlakozónak vagy optocsatlakozónak nevezzük.
Tartalomjegyzék
Optron Design
Az optronok egy optikai adóból (kibocsátó), egy optikai csatornából és egy optikai vevőből állnak. A fényadó az elektromos jelet optikai jellé alakítja át. Az adó a legtöbb esetben LED (a korai modellek izzót vagy neonlámpát használtak). A LED-ek használata nem elengedhetetlen, de tartósabbak és megbízhatóbbak.
Az optikai jelet egy optikai csatornán keresztül továbbítják a vevőhöz. A csatorna lehet zárt - amikor az adó által kibocsátott fény nem hagyja el az optoelem testét. A vevő által generált jelet ezután szinkronizálják az adó bemenetén lévő jellel. Ezek a csatornák lehetnek levegővel vagy speciális optikai vegyülettel töltöttek. Vannak "hosszú" optoelemek is, amelyeknél a csatorna optikai szál.
Ha az optocsatolót úgy tervezték, hogy a keletkező sugárzás elhagyja a burkolatot, mielőtt elérné a vevőt, akkor nyílt csatornának nevezzük. A fénysugár útjában lévő akadályok észlelésére használható.
A fotodetektor az optikai jelet elektromos jellé alakítja vissza. A leggyakrabban használt vevőkészülékek:
- Fotodiódák. Általában digitális kommunikációs vonalakon használják. Kis lineáris fesztávolsággal rendelkeznek.
- Fotorezisztorok. Különlegességük a vevőkészülék kétirányú vezetőképessége. Az ellenálláson mindkét irányban folyhat áram.
- Fototranzisztorok. Ezeknek az eszközöknek a jellemzője, hogy a tranzisztor áramát az opto-tranzisztoron keresztül, valamint a kimeneti áramkörön keresztül lehet szabályozni. Lineáris és digitális üzemmódban egyaránt használhatók. Az optoelektromos csatolók külön típusát képezik a párhuzamosan kapcsolt mezőhatású tranzisztorokkal szerelt optoelektromos csatolók. Ezeket az eszközöket nevezik Szilárdtest relék.
- Fototirisztorok. Ezeket az optoelemeket a megnövelt kimeneti teljesítmény és kapcsolási sebesség jellemzi, és hasznosak a teljesítményelektronika vezérléséhez. Ezeket az eszközöket szilárdtest reléknek is nevezik.
Az általánosan használt optocsatlakozó mikroáramkörök optocsatlakozó szerelvények, amelyek optocsatlakozó összeköttetéseket tartalmaznak ugyanabban a csomagban. Az optoelemeket kapcsolóként és más célokra használják.
Előnyök és hátrányok
Az optoelemek első előnye, hogy nincsenek mechanikus alkatrészeik. Ez azt jelenti, hogy működés közben nincs súrlódás, kopás vagy az érintkezők szikrázása, mint az elektromechanikus reléknél. Más galvanikus jelszigetelő eszközökkel (transzformátorok stb.) ellentétben az optoelemek nagyon alacsony frekvenciákon, beleértve az egyenáramot is, képesek működni.
Ezenkívül az optikai leválasztók előnye a bemenet és a kimenet közötti nagyon alacsony kapacitív és induktív csatolás. Ez csökkenti az impulzusok és a nagyfrekvenciás zavarok átvitelének valószínűségét. A bemenet és a kimenet közötti mechanikus és elektromos csatolás hiánya a műszaki megoldások széles skáláját kínálja az érintésmentes vezérlő- és kapcsolóáramkörök számára.
Bár a valós világ tervei korlátozottak a bemeneti és kimeneti feszültség és áram tekintetében, nincs alapvető elméleti akadálya e jellemzők növelésének. Ez lehetővé teszi, hogy szinte bármilyen alkalmazáshoz tervezzenek optoelemeket.
Az optoelemek egyik hátránya az egyirányú jelátvitel - nem lehetséges optikai jelet továbbítani a fotodetektorból vissza az adóhoz. Ez megnehezíti a vevőáramkör visszacsatolásának az adójelhez való illesztését.
A fogadó rész válasza nemcsak az adó kibocsátásának megváltoztatásával, hanem a csatorna állapotának befolyásolásával is befolyásolható (idegen tárgyak megjelenése, a csatorna közeg optikai tulajdonságainak változása stb.). Ez a hatás lehet nem elektromos jellegű is. Ez kibővíti az optoelemek alkalmazásának lehetőségeit. A külső elektromágneses mezőkre való érzéketlenség lehetővé teszi a nagy zajvédelemmel rendelkező adatcsatornák létrehozását.
Az optocsatolók fő hátránya az alacsony energiahatékonyság, amely a jel kétszeres átalakításával járó jelveszteségekből adódik. Szintén hátránynak tekinthető a magas saját zajszint. Ez csökkenti az optoelemek érzékenységét, és korlátozza alkalmazásukat ott, ahol gyenge jelekre van szükség.
Az optoelemek használatakor a hőmérsékletnek a paramétereikre gyakorolt hatását is figyelembe kell venni - ez jelentős. Ezenkívül az optoelektromos csatolók hátrányai közé tartozik az elemek működés közbeni észrevehető romlása és a gyártás bizonyos fokú technológiai hiányossága, amely a különböző félvezető anyagok egyazon burkolatban történő felhasználásával függ össze.
Optocsatoló jellemzői
Az optocsatolók specifikációi két kategóriába sorolhatók:
- A jelet továbbító eszköz tulajdonságainak jellemzése;
- a bemenet és a kimenet közötti szétkapcsolás jellemzése.
Az első kategória az áramátviteli együttható. Ez függ a LED emissziós képességétől, a vevő érzékenységétől és az optikai csatorna tulajdonságaitól. Ez a kimeneti áram és a bemeneti áram aránya, és a legtöbb optocsatlakozó típus esetében 0,005-0,2. A tranzisztorelemek erősítése akár 1 is lehet.
Ha egy optocsatolót négypólusúnak tekintünk, akkor a bemeneti karakterisztikáját teljes mértékben az optoemitter (LED) kimeneti karakterisztikája és a vevő kimeneti karakterisztikája határozza meg. A kimeneti karakterisztika általában nemlineáris, de egyes optoelemtípusok lineáris szakaszokkal rendelkeznek. Például egy diódás optocsatoló jó linearitással rendelkezik, de ez a szakasz nem túl nagy.
Az ellenálláselemeket a sötét ellenállás (nulla bemeneti áram esetén) és a fényellenállás aránya alapján is értékelik. A tirisztoros optoelemeknél fontos jellemző a minimális tartási áram a nyitott állapotban. A legnagyobb üzemi frekvencia szintén fontos jellemzője az optocsatolónak.
A galvanikus elválasztás minőségét a következőkkel jellemezzük:
- a bemenetre és a kimenetre alkalmazott legnagyobb feszültség;
- a legnagyobb feszültség a bemenet és a kimenet között;
- szigetelési ellenállás a bemenet és a kimenet között;
- Átengedési kapacitás.
Ez utóbbi paraméter azt jellemzi, hogy egy elektromos nagyfrekvenciás jel az elektródák közötti kapacitáson keresztül képes átjutni a bemenetről a kimenetre, megkerülve az optikai csatornát.
Vannak paraméterek a bemeneti áramkör képességének meghatározására:
- A bemeneti vezetékekhez kapcsolható legnagyobb feszültség;
- A legnagyobb áram, amelyet a LED elbír;
- A LED-en mért feszültségesés a névleges áramnál;
- Fordított bemeneti feszültség - a LED által kezelhető fordított polaritású feszültség.
A kimeneti áramkör esetében ezek a jellemzők a legnagyobb megengedett kimeneti áram és feszültség, valamint a szivárgási áram nulla bemeneti áram esetén.
Optoelemek alkalmazásai
A zárt csatornájú optoelemeket ott használják, ahol valamilyen okból (elektromos biztonság stb.) szükség van a jelforrás és a vevő közötti szétkapcsolásra. Például a visszacsatoló áramkörökben a kapcsolóüzemű tápegységek - A jelet a tápegység kimenetéről veszik, és a kibocsátó elemhez táplálják, amelynek fényereje a feszültségszint függvénye. A kimeneti feszültségtől függő jelet veszünk a vevőből, és azt a PWM-vezérlőbe tápláljuk.
Az ábrán egy számítógépes tápegység kapcsolási rajza látható két optocsatlakozóval. A felső optocsatlakozó IC2 biztosítja a feszültségstabilizáló visszacsatolást. Az alsó IC3 diszkrét üzemmódban működik, és a készenléti feszültség jelenlétében táplálja a PWM IC-t.
A forrás és a vevő közötti galvanikus leválasztást néhány szabványos elektromos interfész is megköveteli.
A nyílt csatornás eszközöket tárgyérzékelő érzékelők (papír jelenléte egy nyomtatóban), végálláskapcsolók, számlálók (szállítószalagon lévő elemek, fogaskerék fogainak száma egy egérben stb.) stb. létrehozására használják.
A szilárdtest-reléket ugyanúgy használják, mint a hagyományos reléket - jelek kapcsolására. Használatukat azonban korlátozza a csatorna nagy ellenállása nyitott állapotban. A szilárdtest-teljesítményelektronika elemeinek (nagy teljesítményű mezőhatású vagy IGBT-tranzisztorok) meghajtójaként is használják őket.
Az optront több mint fél évszázaddal ezelőtt fejlesztették ki, de széles körben azután kezdték el használni, hogy a LED-ek elérhetővé és olcsóbbá váltak. Jelenleg az optoelemek (főként az ezeken alapuló mikroáramkörök) minden új típusát fejlesztik, és az alkalmazási terület csak bővül.
Kapcsolódó cikkek:
