Optiskais raidītājs - optiskais uztvērējs jau sen tiek izmantots elektronikā un elektrotehnikā. Elektronisko komponentu, kurā uztvērējs un raidītājs atrodas vienā korpusā un starp tiem notiek optiskā komunikācija, sauc par optoelektronisko savienotāju jeb optoelektronisko savienotāju.
Saturs
Optron dizains
Optronus veido optiskais raidītājs (izstarotājs), optiskais kanāls un optiskais uztvērējs. Gaismas raidītājs pārvērš elektrisko signālu optiskajā signālā. Vairumā gadījumu raidītājs ir LED (agrīnajos modeļos tika izmantotas kvēlspuldzes vai neona spuldzes). LED izmantošana nav izšķiroša, taču tie ir izturīgāki un uzticamāki.
Optiskais signāls pa optisko kanālu tiek pārraidīts uz uztvērēju. Kanāls var būt slēgts - kad raidītāja izstarotā gaisma neiziet no optoelektroniskā savienotāja korpusa. Tad uztvērēja ģenerētais signāls tiek sinhronizēts ar raidītāja ieejas signālu. Šie kanāli var būt pildīti ar gaisu vai īpašu optisko savienojumu. Ir arī "garie" optoelektroniskie savienotāji, kuru kanāls ir optiskā šķiedra.
Ja optoelektroniskais savienotājs ir konstruēts tā, ka radītais starojums atstāj apvalku, pirms sasniedz uztvērēju, to sauc par atvērtu kanālu. To var izmantot, lai atklātu šķēršļus gaismas staru kūļa ceļā.
Fotodetektors optisko signālu pārvērš atpakaļ elektriskā signālā. Visbiežāk izmantotie uztvērēji ir:
- Fotodiodes. Parasti izmanto digitālajās sakaru līnijās. To lineārais diapazons ir neliels.
- Fotorezistori. To īpašā iezīme ir uztvērēja divvirzienu vadītspēja. Strāva caur rezistoru var plūst abos virzienos.
- Fototranzistori. Šo ierīču iezīme ir iespēja kontrolēt tranzistora strāvu caur optranzistoru, kā arī caur izejas ķēdi. Tos izmanto gan lineārajā, gan digitālajā režīmā. Atsevišķs optoelementu veids ir optoelementu ar paralēli ieslēgtiem lauka tranzistoriem. Šīs ierīces sauc par Cietvielu releji.
- Fototiristori. Šiem optoelementiem ir raksturīga palielināta izejas jauda un pārslēgšanās ātrums, un tie ir noderīgi energoelektronikas vadībai. Šīs ierīces tiek klasificētas arī kā cietvielu releji.
Bieži izmantotās optoelektronisko slēgiekārtu mikroshēmas ir optoelektronisko slēgiekārtu komplekti ar optoelektronisko slēgiekārtu starpsavienojumiem vienā iepakojumā. Optoelementus izmanto kā komutācijas ierīces un citiem mērķiem.
Priekšrocības un trūkumi
Pirmā optoelementu priekšrocība ir tā, ka tiem nav mehānisku detaļu. Tas nozīmē, ka darbības laikā nenotiek berze, nodilums un kontaktu dzirksteļošana, kā tas ir elektromehānisko releju gadījumā. Atšķirībā no citām galvaniskās signālu izolācijas ierīcēm (transformatoriem u. c.) optoelektroniskie savienotāji var darboties ļoti zemās frekvencēs, ieskaitot līdzstrāvas.
Turklāt optisko izolatoru priekšrocība ir ļoti zema kapacitatīvā un induktīvā saistība starp ieeju un izeju. Tas samazina impulsu un augstfrekvences traucējumu pārraides iespējamību. Mehāniskās un elektriskās saites trūkums starp ieeju un izeju nodrošina plašu tehnisko risinājumu klāstu bezkontakta vadības un komutācijas ķēdēm.
Lai gan reālās konstrukcijas ir ierobežotas attiecībā uz ieejas un izejas spriegumu un strāvu, nav būtisku teorētisku šķēršļu šo raksturlielumu palielināšanai. Tas ļauj izstrādāt optoelementus gandrīz jebkuram lietojumam.
Viens no optoelementu trūkumiem ir vienvirziena signālu pārraide - nav iespējams pārraidīt optisko signālu no fotodetektora atpakaļ uz raidītāju. Tas apgrūtina uztvērēja ķēdes atgriezeniskās saites saskaņošanu ar raidītāja signālu.
Uzņemošās daļas reakciju var ietekmēt ne tikai mainot raidītāja emisiju, bet arī ietekmējot kanāla stāvokli (svešu objektu parādīšanās, kanāla vides optisko īpašību izmaiņas utt.). Šāda ietekme var būt arī neelektriska rakstura. Tas paplašina optoelementu izmantošanas iespējas. Neiejūtība pret ārējiem elektromagnētiskajiem laukiem ļauj izveidot datu kanālus ar augstu trokšņu noturību.
Galvenais optoelementu trūkums ir zema energoefektivitāte, ko rada signāla zudumi, kas saistīti ar signāla dubulto pārveidošanu. Par trūkumu tiek uzskatīts arī augstais raksturīgais trokšņa līmenis. Tas samazina optoelementu jutību un ierobežo to pielietojumu vāju signālu gadījumā.
Lietojot optoelementus, jāņem vērā arī temperatūras ietekme uz to parametriem - tā ir būtiska. Turklāt optoelementu trūkumi ir arī pamanāma elementu degradācija darbības laikā un zināms ražošanas tehnoloģiju trūkums, kas saistīts ar dažādu pusvadītāju materiālu izmantošanu vienā iepakojumā.
Optoelektroniskā savienotāja raksturlielumi
Optoelektronisko savienotāju specifikācijas iedala divās kategorijās:
- Ierīces īpašību raksturošana, lai pārraidītu signālu;
- kas raksturo atsaistīšanu starp ieeju un izeju.
Pirmā kategorija ir strāvas pārneses koeficients. Tas ir atkarīgs no gaismas diodes izstarojuma, uztvērēja jutības un optiskā kanāla īpašībām. Tā ir izejas strāvas attiecība pret ieejas strāvu, un lielākajai daļai optoelektronisko savienotāju tipu tā ir no 0,005 līdz 0,2. Tranzistoru elementiem var būt pastiprinājums līdz pat 1.
Ja optoelementu uzskata par kvadruporu, tā ieejas raksturlielumu pilnībā nosaka optoelementa (LED) izejas raksturlielums un uztvērēja izejas raksturlielums. Kopumā izejas raksturlīkne ir nelineāra, taču dažiem optoelementu tipiem ir lineāras sekcijas. Piemēram, diodes optoelektronam ir laba linearitāte, bet šī sekcija nav ļoti liela.
Rezistoru elementus novērtē arī pēc tumšās pretestības (pie ieejas strāvas, kas vienāda ar nulli) un gaismas pretestības attiecības. Tiristoru optoelektroniem svarīga īpašība ir minimālā turēšanas strāva atvērtā stāvoklī. Svarīga optoelektroniskā savienotāja īpašība ir arī augstākā darba frekvence.
Galvaniskās izolācijas kvalitāti raksturo:
- lielākais spriegums, kas pielikts ievadei un izejai;
- augstākais spriegums starp ieeju un izeju;
- izolācijas pretestība starp ieeju un izeju;
- Caurlaides kapacitāte.
Pēdējais parametrs raksturo elektriskā augstfrekvences signāla spēju pāriet no ieejas uz izeju, apejot optisko kanālu, izmantojot kapacitāti starp elektrodiem.
Ir parametri, kas nosaka ieejas ķēdes spējas:
- Lielākais spriegums, ko var pielikt ieejas vadiem;
- Lielākā strāva, ko LED var izturēt;
- Sprieguma kritums gaismas diodē pie nominālās strāvas;
- Reversais ieejas spriegums - reversās polaritātes spriegums, ko LED var izturēt.
Izejas shēmai šie raksturlielumi būs lielākā pieļaujamā izejas strāva un spriegums, kā arī noplūdes strāva pie nulles ieejas strāvas.
Optoelektronisko savienotāju lietojumi
Optoelementus ar slēgtu kanālu izmanto gadījumos, kad kāda iemesla dēļ (elektrodrošība u. c.) ir nepieciešama atsaistīšana starp signāla avotu un uztvērēju. Piemēram, atgriezeniskās saites ķēdēs komutācijas režīma barošanas avotu - Signāls tiek ņemts no PSU izejas un padots uz izstarojošo elementu, kura spilgtums ir atkarīgs no sprieguma līmeņa. No uztvērēja tiek ņemts signāls, kas atkarīgs no izejas sprieguma, un tas tiek padots PWM kontrolierim.
Attēlā ir parādīta datora PSU ar diviem optoelektroniem principiālā shēma. Augšējais optoelektroniskais savienotājs IC2 nodrošina sprieguma stabilizācijas atgriezenisko saiti. Apakšējā IC3 darbojas diskrētā režīmā un piegādā enerģiju PWM IC, kad ir gaidīšanas spriegums.
Galvaniskā izolācija starp avotu un uztvērēju ir nepieciešama arī dažās standarta elektriskajās saskarnēs.
Atvērto kanālu ierīces tiek izmantotas, lai izveidotu objektu noteikšanas sensorus (papīra klātbūtne printerī), robežslēdžus, skaitītājus (priekšmeti uz konveijera lentes, zobratu skaits pelei utt.) utt.
Cietvielu releji tiek izmantoti tāpat kā parastie releji - signālu pārslēgšanai. Tomēr to izmantošanu ierobežo lielā kanāla pretestība atvērtā stāvoklī. Tos izmanto arī kā draiverus cietvielu energoelektronikas elementiem (lieljaudas lauka efekta vai IGBT tranzistori).
Optrons tika izstrādāts pirms vairāk nekā pusgadsimta, bet plaši sāka izmantot pēc tam, kad kļuva pieejamas un lētas gaismas diodes. Tagad tiek izstrādāti visi jaunie optoelementu modeļi (galvenokārt uz tiem balstītas mikroshēmas), un to pielietojuma joma tikai paplašinās.
Saistītie raksti:
