「光送信機 - 光受信機」のペアは、電子工学および電気工学で長い間使用されてきました。受信機と送信機が同じ筐体内にあり、それらの間で光通信が行われている電子部品は、オプトカプラまたはオプトカプラと呼ばれます。
オプトロンデザイン
オプトロンは、光送信機（エミッタ）、光チャネル、および光受信機で構成されています。フォトトランスミッタは、電気信号を光信号に変換します。ほとんどの場合、送信機は LED です (初期のモデルは白熱電球またはネオン電球を使用していました)。 LED の使用は原則的ではありませんが、耐久性と信頼性に優れています。
光信号は、光チャネルを介して受信機に送信されます。チャネルを閉じることができます - 送信機によって放出された光がオプトカプラの本体を超えない場合。次に、受信機によって生成された信号は、送信機の入力で信号と同期されます。これらのチャネルは、空気で満たすか、特殊な光学化合物で満たすことができます。チャネルが「長い」オプトカプラもあります。 光ファイバー.
生成された放射が受信機に到達する前にエンクロージャを離れるようにオプトカプラが設計されている場合、それはオープンチャネルと呼ばれます。光ビームの経路にある障害物を検出するために使用できます。
光検出器は、光信号を電気信号に変換します。最も一般的に使用される受信機は次のとおりです。
- フォトダイオード。通常、デジタル通信回線で使用されます。彼らは小さな線形セクションを持っています。
- フォトレジスタ。それらの特徴は、受信機の双方向導電性です。抵抗を流れる電流はどちらの方向にも流れます。
- フォトトランジスタ。このようなデバイスの特徴は、オプトトランジスタと出力回路の両方を流れるトランジスタ電流を制御できることです。これらは、リニア モードとデジタル モードの両方で使用されます。別のタイプのオプトカプラーは、並列に切り替えられる電界効果トランジスターを備えたものです。これらのデバイスは呼ばれます ソリッドステートリレー.
- フォトサイリスタ。このようなオプトカプラは、出力電力とスイッチング速度の向上が特徴であり、このようなデバイスはパワーエレクトロニクスの要素を制御するのに便利です。これらのデバイスは、ソリッドステート リレーのカテゴリにも属します。
オプトカプラ マイクロ回路 (オプトカプラ配線を 1 つのパッケージに収めたオプトカプラ アセンブリ) は広く普及しています。このようなフォトカプラは、スイッチング デバイスやその他の目的で使用されます。
長所と短所
光デバイスの最初の利点は、機械部品がないことです。これは、電気機械式リレーのように、動作中に摩擦、摩耗、火花接点がないことを意味します。信号ガルバニック絶縁用の他のデバイス (トランスなど) とは異なり、フォトカプラは直流を含む非常に低い周波数で動作できます。
さらに、光アイソレータの利点は、入力と出力の間の容量結合と誘導結合が非常に低いことです。これにより、パルスの送信と高周波干渉の可能性が減少します。入力と出力の間に機械的および電気的な結合がないため、非接触制御およびスイッチング回路を作成するためのさまざまな技術的ソリューションが提供されます。
実際の設計では入力と出力の電圧と電流が制限されていますが、これらの特性を向上させるための基本的な理論上の障害はありません。これにより、ほぼすべてのアプリケーションに適合するフォトカプラを構築できます。
オプトカプラーの短所には、一方向の信号伝送が含まれます。つまり、フォトディテクターからトランスミッターに光信号を伝送することはできません。これにより、レシーバ回路の応答をトランスミッタ信号に一致させるためのフィードバック ループを編成することが困難になります。
受信部の応答は、送信機の放射を変更するだけでなく、チャネルの状態 (異物の出現、チャネル媒体の光学特性の変化など) に影響を与えることによっても影響を受ける可能性があります。このような影響は、非電気的な性質のものである可能性があります。これにより、フォトカプラを使用する可能性が広がります。外部電磁界の影響を受けないため、ノイズ耐性の高いデータ チャネルを作成できます。
オプトロンの主な欠点は、信号の二重変換における信号損失に関連するエネルギー効率の低さです。欠点として考えられるのは、固有のノイズ レベルが高いことです。これにより、フォトカプラの感度が低下し、弱い信号が必要なアプリケーションが制限されます。
オプトカプラを使用する場合、パラメータに対する温度の影響を考慮する必要があります。これは重要です。さらに、オプトカプラーの欠点には、動作中の要素の顕著な劣化と、1つのパッケージで異なる半導体材料を使用することに関連する製造技術の特定の欠如が含まれます。
フォトカプラの特性
オプトカプラのパラメータは、次の 2 つのカテゴリに分類されます。
- 信号を送信するデバイスの特性を特徴付けます。
- 入力と出力の間のデカップリングを特徴付けます。
最初のカテゴリは電流伝達係数です。これは、LED の放射率、受信機の感度、および光チャネルの特性に依存します。この係数は入力電流に対する出力電流の比に等しく、ほとんどのタイプのフォトカプラでは 0.005 ... 0.2 です。トランジスタ素子の伝達係数は最大 1 です。
フォトカプラを 4 極として考えると、その入力特性は電圧計 (LED) によって完全に決定され、出力特性はレシーバ特性によって決定されます。一般に入力特性は非線形ですが、一部のタイプのフォトカプラには線形部分があります。たとえば、良好な直線性にはダイオード オプトカプラの WAV の一部がありますが、このセクションはそれほど大きくありません。
抵抗素子は、暗抵抗 (入力電流がゼロの場合) と明抵抗の比によっても評価されます。サイリスタ オプトカプラの重要な特性は、開状態での最小保持電流です。最高動作周波数もフォトカプラの重要な特性です。
ガルバニック絶縁の品質は、次の特徴があります。
- 入力と出力に印加される最大電圧。
- 入力と出力の間の最大電圧。
- 入力と出力の間の絶縁抵抗;
- スループット容量。
最後のパラメーターは、電極間の静電容量を介して、光チャネルをバイパスして、電気高周波信号が入力から出力に漏れる能力を特徴付けます。
入力回路の機能を決定するパラメータがあります。
- 入力リードに印加できる最大電圧。
- LED が処理できる最大電流。
- 定格電流での LED の電圧降下。
- 逆入力電圧 - LED が処理できる逆極性電圧。
出力回路の場合、これらの特性は最大許容電流と電圧出力、およびゼロ入力電流での漏れ電流になります。
オプトカプラのアプリケーション
何らかの理由 (電気的安全性など) で信号ソースとレシーバ間のデカップリングが必要な場合、クローズド チャネルのフォトカプラが使用されます。たとえば、フィードバック回路では スイッチング電源の - 信号はPSUの出力から取得され、発光素子に供給されます。その輝度は電圧レベルに依存します。出力電圧に応じた信号がレシーバから取得され、PWM コントローラに供給されます。
2 つのフォトカプラを備えたコンピュータ PSU の回路図を図に示します。上側のフォトカプラ IC2 は、電圧安定化フィードバックを生成します。下側の IC3 はディスクリート モードで動作し、スタンバイ電圧が存在する場合に PWM IC に電力を供給します。
一部の標準電気インターフェースでは、ソースとレシーバー間のガルバニック絶縁も必要です。
開いたチャネルを持つデバイスは、オブジェクト (プリンター内の用紙の存在)、リミット スイッチ、カウンター (コンベア ベルト上のオブジェクト、マウス マニピュレーターのギアの歯の数) などを検出するためのセンサーを作成するために使用されます。
ソリッド ステート リレーは、従来のリレーと同じように信号の切り替えに使用されます。しかし、それらの増殖は、開いた状態でのチャネルの高い抵抗によって制限されます。また、ソリッドステート パワー エレクトロニクス (高出力電界効果または IGBT トランジスタ) の要素のドライバとしても使用されます。
オプトロンは半世紀以上前に開発されましたが、LED が普及して安価になった後、普及が始まりました。現在、オプトカプラーのすべての新しいモデル（主にそれらに基づくチップ）が開発されており、その応用分野は拡大しています。
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