Het optische zender-ontvangerpaar wordt reeds lang gebruikt in de elektronica en de elektrotechniek. Een elektronisch onderdeel waarbij de ontvanger en de zender zich in dezelfde behuizing bevinden en er optische communicatie tussen beide is, wordt een optocoupler of optocoupler genoemd.
Inhoud
Optron Ontwerp
Optrons bestaan uit een optische zender (emitter), een optisch kanaal en een optische ontvanger. De lichtzender zet een elektrisch signaal om in een optisch signaal. De zender is in de meeste gevallen een LED (vroegere modellen gebruikten gloei- of neonlampen). Het gebruik van LED's is niet van cruciaal belang, maar ze zijn duurzamer en betrouwbaarder.
Het optische signaal wordt via een optisch kanaal naar de ontvanger gezonden. Het kanaal kan gesloten zijn - wanneer het door de zender uitgezonden licht het lichaam van de optocoupler niet verlaat. Het door de ontvanger opgewekte signaal wordt dan gesynchroniseerd met het signaal aan de ingang van de zender. Deze kanalen kunnen met lucht gevuld zijn of gevuld met een speciale optische samenstelling. Er zijn ook "lange" optocouplers waarbij het kanaal glasvezel.
Als de optokoppelaar zo is ontworpen dat de opgewekte straling de behuizing verlaat alvorens de ontvanger te bereiken, wordt hij een open kanaal genoemd. Hij kan worden gebruikt om obstakels op de weg van de lichtbundel te detecteren.
De fotodetector zet het optische signaal om in een elektrisch signaal. De meest gebruikte ontvangers zijn:
- Fotodiodes. Typisch gebruikt in digitale communicatielijnen. Ze hebben een kleine lineaire spanwijdte.
- Photoresistors. Hun speciale kenmerk is de twee-weg geleiding van de ontvanger. De stroom kan in beide richtingen door de weerstand lopen.
- Fototransistors. Een kenmerk van deze toestellen is de mogelijkheid om de stroom van de transistor via de opto-transistor te regelen, evenals via het uitgangscircuit. Zij worden zowel in lineaire als in digitale modus gebruikt. Een apart type optocouplers zijn die met parallel geschakelde veldeffecttransistoren. Deze apparaten worden genoemd Solid state relais.
- Photothyristors. Deze optocouplers worden gekenmerkt door een hoger uitgangsvermogen en een hogere schakelsnelheid, en zijn nuttig voor het regelen van vermogenselektronica. Deze apparaten worden ook wel geclassificeerd als solid-state relais.
Veelgebruikte optocoupler-microschakelingen zijn optocoupler-samenstellingen met optocoupler-interconnecties in dezelfde behuizing. Optocouplers worden gebruikt als schakelapparatuur en voor andere doeleinden.
Voor- en nadelen
Het eerste voordeel van optocouplers is dat zij geen mechanische onderdelen hebben. Dit betekent dat er tijdens de werking geen wrijving, slijtage of vonkvorming van de contacten optreedt zoals bij elektromechanische relais. In tegenstelling tot andere galvanische signaalisolatievoorzieningen (transformatoren enz.) kunnen optocouplers bij zeer lage frequenties werken, ook bij gelijkstroom.
Bovendien is het voordeel van optische isolatoren de zeer lage capacitieve en inductieve koppeling tussen ingang en uitgang. Dit vermindert de kans op overdracht van impulsen en hoogfrequente storingen. De afwezigheid van mechanische en elektrische koppeling tussen de ingang en de uitgang biedt een breed scala van technische oplossingen voor contactloze regel- en schakelkringen.
Hoewel real-world ontwerpen beperkt zijn in termen van spanning en stroom voor de in- en uitgang, zijn er geen fundamentele theoretische belemmeringen om deze kenmerken te verhogen. Dit maakt het mogelijk optocouplers te ontwerpen voor vrijwel elke toepassing.
Een van de nadelen van optocouplers is de eenrichtingsoverdracht van signalen - het is niet mogelijk een optisch signaal van de fotodetector terug te zenden naar de zender. Dit maakt het moeilijk om de terugkoppeling van de ontvangerkring aan te passen aan het zendersignaal.
De reactie van het ontvangende deel kan niet alleen worden beïnvloed door de emissie van de zender te veranderen, maar ook door de toestand van het kanaal te beïnvloeden (verschijnen van vreemde voorwerpen, veranderingen in de optische eigenschappen van het medium van het kanaal, enz.) Een dergelijke invloed kan ook van niet-elektrische aard zijn. Dit verruimt de mogelijkheden van het gebruik van optocouplers. De ongevoeligheid voor externe elektromagnetische velden maakt het mogelijk datakanalen met een hoge ruisimmuniteit te creëren.
Het belangrijkste nadeel van optocouplers is de lage energie-efficiëntie ten gevolge van de signaalverliezen die gepaard gaan met de dubbele omzetting van het signaal. Ook het hoge intrinsieke geluidsniveau wordt als een nadeel beschouwd. Dit vermindert de gevoeligheid van optocouplers en beperkt hun toepassing, waar zwakke signalen vereist zijn.
Bij het gebruik van optocouplers moet ook rekening worden gehouden met de invloed van de temperatuur op hun parameters - deze is aanzienlijk. De nadelen van optocouplers zijn voorts de merkbare degradatie van de elementen tijdens de werking en een zeker gebrek aan technologie bij de produktie in verband met het gebruik van verschillende halfgeleidermaterialen in dezelfde behuizing.
Optocoupler kenmerken
Specificaties voor optocouplers worden in twee categorieën onderverdeeld:
- Het karakteriseren van de eigenschappen van het apparaat om een signaal uit te zenden;
- die de ontkoppeling tussen input en output karakteriseert.
De eerste categorie is de stroomoverdrachtscoëfficiënt. Dit hangt af van de emissiviteit van de LED, de gevoeligheid van de ontvanger en de eigenschappen van het optische kanaal. Dit is de verhouding tussen de uitgangsstroom en de ingangsstroom en bedraagt voor de meeste optocouplertypes 0,005 tot 0,2. Transistorelementen kunnen een versterking tot 1 hebben.
Beschouwen we een optocoupler als een quadrupool, dan wordt zijn ingangskarakteristiek geheel bepaald door de uitgangskarakteristiek van de opto-emitter (LED) en de uitgangskarakteristiek van de ontvanger. De uitgangskarakteristiek is in het algemeen niet-lineair, maar sommige typen optocouplers hebben lineaire secties. Een diode-optocoupler bijvoorbeeld heeft een goede lineariteit, maar deze sectie is niet erg groot.
Weerstandselementen worden ook beoordeeld aan de hand van de verhouding tussen de donkerweerstand (bij een ingangsstroom gelijk aan nul) en de lichtweerstand. Voor thyristoroptocouplers is een belangrijke eigenschap de minimale houdstroom in de open toestand. De hoogste werkfrequentie is ook een belangrijke eigenschap van de optocoupler.
De kwaliteit van de galvanische isolatie wordt gekarakteriseerd door:
- de grootste spanning toegepast op de ingang en de uitgang;
- de hoogste spanning tussen de ingang en de uitgang;
- isolatieweerstand tussen ingang en uitgang;
- Doorgangscapaciteit.
Deze laatste parameter karakteriseert het vermogen van een elektrisch hoogfrequent signaal om via de capaciteit tussen de elektroden van de ingang naar de uitgang te gaan, zonder het optische kanaal te passeren.
Er zijn parameters om het vermogen van het ingangscircuit te bepalen:
- De grootste spanning die op de ingangskabels kan worden gezet;
- De hoogste stroom die de LED aankan;
- De spanningsval over de LED bij de nominale stroom;
- Omgekeerde ingangsspanning - de omgekeerde polariteitspanning die de LED aankan.
Voor het uitgangscircuit zullen deze karakteristieken de hoogst toelaatbare stroom- en spanningsuitgang zijn, en de lekstroom bij nul ingangsstroom.
Toepassingen voor optocouplers
Optocouplers met een gesloten kanaal worden gebruikt wanneer om een of andere reden (elektrische veiligheid, enz.) een ontkoppeling tussen signaalbron en ontvanger vereist is. Bijvoorbeeld, in de terugkoppelingscircuits van van geschakelde voedingen - Het signaal wordt afgenomen van de uitgang van de PSU en toegevoerd aan het emitterende element, waarvan de helderheid afhangt van het spanningsniveau. Een signaal dat afhankelijk is van de uitgangsspanning wordt van de ontvanger genomen en aan de PWM-regelaar toegevoerd.
Een schematisch diagram van een computer-PSU met twee optocouplers is weergegeven in de figuur. De bovenste optocoupler IC2 zorgt voor de spanningsstabiliserende terugkoppeling. Het onderste IC3 werkt in discrete modus en levert stroom aan het PWM IC wanneer de standby-spanning aanwezig is.
Galvanische isolatie tussen bron en ontvanger wordt ook vereist door sommige standaard elektrische interfaces.
Open-kanaals toestellen worden gebruikt om sensoren voor objectdetectie te maken (aanwezigheid van papier in een printer), eindschakelaars, tellers (items op een transportband, aantal tandwieltanden in een muis, enz.
Solid-state relais worden op dezelfde manier gebruikt als conventionele relais - voor het schakelen van signalen. Het gebruik ervan wordt echter beperkt door de hoge weerstand van het kanaal in geopende toestand. Zij worden ook gebruikt als stuurprogramma's voor elementen van vermogenselektronica in vaste toestand (veldeffect- of IGBT-transistoren met hoog vermogen).
De optron werd meer dan een halve eeuw geleden ontwikkeld, maar werd op grote schaal gebruikt nadat LED's beschikbaar en goedkoop werden. Nu worden alle nieuwe modellen optocouplers (meestal microschakelingen op basis daarvan) ontwikkeld, en het toepassingsgebied breidt zich alleen maar uit.
Verwante artikelen:
