Pasangan "pemancar optik - penerima optik" telah lama digunakan dalam elektronik dan teknik listrik. Sebuah komponen elektronik di mana penerima dan pemancar berada di kandang yang sama dan ada komunikasi optik antara mereka disebut optocoupler atau optocoupler.
Desain Optron
Optron terdiri dari pemancar optik (emitor), saluran optik dan penerima optik. Fototransmitter mengubah sinyal listrik menjadi sinyal optik. Pemancar dalam banyak kasus adalah LED (model awal menggunakan lampu pijar atau neon). Penggunaan LED tidak berprinsip, tetapi lebih tahan lama dan dapat diandalkan.
Sinyal optik ditransmisikan melalui saluran optik ke penerima. Saluran dapat ditutup - ketika cahaya yang dipancarkan oleh pemancar tidak melampaui tubuh optocoupler. Kemudian sinyal yang dihasilkan oleh penerima disinkronkan dengan sinyal pada input pemancar. Saluran ini dapat diisi udara atau diisi dengan senyawa optik khusus. Ada juga optocoupler "panjang" di mana salurannya serat optik.
Jika optocoupler dirancang sedemikian rupa sehingga radiasi yang dihasilkan meninggalkan selungkup sebelum mencapai penerima, itu disebut saluran terbuka. Hal ini dapat digunakan untuk mendeteksi hambatan di jalur berkas cahaya.
Fotodetektor mengubah sinyal optik kembali menjadi sinyal listrik. Penerima yang paling umum digunakan adalah:
- Fotodioda. Biasanya digunakan dalam jalur komunikasi digital. Mereka memiliki bagian linier kecil.
- Fotoresistor. Fitur mereka adalah konduktivitas dua arah penerima. Arus yang melalui resistor dapat mengalir ke kedua arah.
- Fototransistor. Sebuah fitur dari perangkat tersebut adalah kemampuan untuk mengontrol arus transistor baik melalui opto-transistor dan rangkaian output. Mereka digunakan dalam mode linier dan digital. Jenis optocoupler yang terpisah adalah yang memiliki transistor efek medan yang diaktifkan secara paralel. Perangkat ini disebut Relay keadaan padat.
- Fototiristor. Optocoupler semacam itu dicirikan oleh peningkatan daya keluaran dan kecepatan switching, perangkat tersebut nyaman untuk mengendalikan elemen elektronika daya. Perangkat ini juga termasuk dalam kategori solid-state relay.
Sirkuit mikro optocoupler - rakitan optocoupler dengan kabel optocoupler dalam satu paket - telah tersebar luas. Optocoupler tersebut digunakan sebagai perangkat switching dan untuk tujuan lain.
Keuntungan dan kerugian
Keuntungan pertama yang dicatat dalam perangkat optik adalah tidak adanya bagian mekanis. Ini berarti bahwa selama operasi tidak ada gesekan, keausan, kontak percikan, seperti pada relai elektromekanis. Tidak seperti perangkat lain untuk isolasi galvanik sinyal (transformator, dll.), optocoupler dapat beroperasi pada frekuensi yang sangat rendah, termasuk arus searah.
Selain itu, keunggulan isolator optik adalah kopling kapasitif dan induktif yang sangat rendah antara input dan output.Ini mengurangi kemungkinan transmisi pulsa dan interferensi frekuensi tinggi. Tidak adanya kopling mekanik dan listrik antara input dan output memberikan berbagai solusi teknis untuk membuat kontrol non-kontak dan sirkuit switching.
Meskipun desain dunia nyata terbatas pada tegangan dan arus untuk input dan output, tidak ada hambatan teoritis mendasar untuk meningkatkan karakteristik ini. Hal ini memungkinkan optocoupler untuk dibangun sesuai dengan hampir semua aplikasi.
Kerugian dari optocoupler termasuk transmisi sinyal satu arah - Anda tidak dapat mengirimkan sinyal optik dari fotodetektor kembali ke pemancar. Hal ini membuat sulit untuk mengatur loop umpan balik untuk mencocokkan respons rangkaian penerima dengan sinyal pemancar.
Respon bagian penerima dapat dipengaruhi tidak hanya dengan mengubah radiasi pemancar, tetapi juga dengan mempengaruhi keadaan saluran (penampilan benda asing, perubahan sifat optik media saluran, dll.). Pengaruh tersebut dapat bersifat non-listrik. Ini memperluas kemungkinan menggunakan optocoupler. Ketidakpekaan terhadap medan elektromagnetik eksternal memungkinkan Anda membuat saluran data dengan kekebalan kebisingan yang tinggi.
Kerugian utama dari optron termasuk efisiensi energi yang rendah terkait dengan kehilangan sinyal dalam konversi ganda sinyal. Juga dianggap sebagai kerugian adalah tingkat kebisingan intrinsik yang tinggi. Ini mengurangi sensitivitas optocoupler dan membatasi aplikasinya di mana sinyal lemah diperlukan.
Saat menggunakan optocoupler, perlu untuk mempertimbangkan pengaruh suhu pada parameternya - ini signifikan.Selain itu, kelemahan optocoupler termasuk degradasi elemen yang nyata selama operasi dan kurangnya teknologi dalam produksi yang terkait dengan penggunaan bahan semikonduktor yang berbeda dalam satu paket.
Karakteristik optocoupler
Parameter optocoupler dibagi menjadi dua kategori:
- Mengkarakterisasi properti perangkat untuk mengirimkan sinyal;
- mengkarakterisasi decoupling antara input dan output.
Kategori pertama adalah koefisien transfer arus. Itu tergantung pada emisivitas LED, sensitivitas penerima dan sifat saluran optik. Koefisien ini sama dengan rasio arus keluaran terhadap arus masukan dan untuk sebagian besar jenis optocoupler adalah 0,005 ... 0,2. Elemen transistor memiliki koefisien transfer hingga 1.
Jika kita menganggap optocoupler sebagai quadrupole, karakteristik inputnya sepenuhnya ditentukan oleh voltmeter (LED), dan karakteristik output ditentukan oleh karakteristik penerima. Karakteristik input pada umumnya nonlinier, tetapi beberapa jenis optocoupler memiliki penampang linier. Misalnya, linearitas yang baik memiliki bagian WAV optocoupler dioda, tetapi bagian ini tidak terlalu besar.
Elemen resistor juga dievaluasi dengan rasio resistansi gelap (pada arus input sama dengan nol) dengan resistansi cahaya. Untuk optocoupler thyristor, karakteristik penting adalah arus penahanan minimum dalam keadaan terbuka. Frekuensi operasi tertinggi juga merupakan karakteristik penting dari optocoupler.
Kualitas isolasi galvanik ditandai dengan:
- tegangan terbesar yang diterapkan pada input dan output;
- tegangan terbesar antara input dan output;
- resistansi isolasi antara input dan output;
- kapasitansi throughput.
Parameter terakhir mencirikan kemampuan sinyal frekuensi tinggi listrik bocor dari input ke output, melewati saluran optik, melalui kapasitansi antara elektroda.
Ada parameter untuk menentukan kemampuan sirkuit input:
- Tegangan terbesar yang dapat diterapkan ke input lead;
- Arus terbesar yang dapat ditangani oleh LED;
- Penurunan tegangan melintasi LED pada arus pengenal;
- tegangan input terbalik - tegangan polaritas terbalik yang dapat ditangani oleh LED.
Untuk rangkaian keluaran, karakteristik ini akan menjadi arus dan tegangan keluaran tertinggi yang diijinkan, dan arus bocor pada arus masukan nol.
Aplikasi untuk optocoupler
Optocoupler dengan saluran tertutup digunakan di mana untuk beberapa alasan (keamanan listrik, dll.) decoupling antara sumber sinyal dan penerima diperlukan. Misalnya, di sirkuit umpan balik beralih catu daya - sinyal diambil dari output PSU, diumpankan ke elemen pemancar, yang kecerahannya tergantung pada level tegangan. Sinyal tergantung pada tegangan output diambil dari penerima dan diumpankan ke pengontrol PWM.
Skema PSU komputer dengan dua optocoupler ditunjukkan pada gambar. IC2 optocoupler atas menciptakan umpan balik penstabil tegangan. IC3 yang lebih rendah beroperasi dalam mode diskrit dan memasok daya ke IC PWM ketika tegangan siaga ada.
Isolasi galvanik antara sumber dan penerima juga diperlukan oleh beberapa antarmuka listrik standar.
Perangkat dengan saluran terbuka digunakan untuk membuat sensor untuk mendeteksi objek apa pun (keberadaan kertas dalam printer), sakelar batas, penghitung (objek pada sabuk konveyor, jumlah gigi roda gigi di manipulator mouse), dll.
Relai solid state digunakan dengan cara yang sama seperti relai konvensional - untuk mengalihkan sinyal. Tetapi proliferasi mereka dibatasi oleh resistensi saluran yang tinggi dalam keadaan terbuka. Mereka juga digunakan sebagai driver untuk elemen elektronika daya solid-state (transistor efek medan daya tinggi atau IGBT).
Optron dikembangkan lebih dari setengah abad yang lalu, tetapi penggunaannya secara luas dimulai setelah LED tersedia dan tidak mahal. Sekarang semua model optocoupler baru (kebanyakan berbasis chip) sedang dikembangkan, dan bidang aplikasinya hanya berkembang.
Artikel terkait:
