Perechea emițător optic - receptor optic a fost folosită de mult timp în electronică și electrotehnică. O componentă electronică în care receptorul și emițătorul sunt situate în aceeași incintă și există o comunicare optică între ele se numește optocuplor sau optocuplor.
Cuprins
Optron Design
Optronii constau dintr-un emițător optic (emițător), un canal optic și un receptor optic. Transmițătorul de lumină convertește un semnal electric într-un semnal optic. În cele mai multe cazuri, emițătorul este un LED (primele modele foloseau becuri cu incandescență sau neon). Utilizarea LED-urilor nu este esențială, dar acestea sunt mai durabile și mai fiabile.
Semnalul optic este transmis prin intermediul unui canal optic către receptor. Canalul poate fi închis - atunci când lumina emisă de emițător nu părăsește corpul optocuplorului. Semnalul generat de receptor este apoi sincronizat cu semnalul de la intrarea emițătorului. Aceste canale pot fi umplute cu aer sau cu un compus optic special. Există, de asemenea, optocuploare "lungi" în cazul în care canalul este fibră optică.
În cazul în care optocuplorul este proiectat astfel încât radiația generată să părăsească incinta înainte de a ajunge la receptor, acesta se numește canal deschis. Acesta poate fi utilizat pentru a detecta obstacolele din calea fasciculului de lumină.
Fotodetectorul convertește semnalul optic înapoi într-un semnal electric. Cele mai frecvent utilizate receptoare sunt:
- Fotodiode. Folosit în mod obișnuit în liniile de comunicații digitale. Acestea au un interval liniar mic.
- Fotorezistoare. Caracteristica lor specială este conductivitatea bidirecțională a receptorului. Curentul poate trece prin rezistor în ambele sensuri.
- Fototransistori. O caracteristică a acestor dispozitive este capacitatea de a controla curentul tranzistorului prin intermediul optotransistorului, precum și prin circuitul de ieșire. Acestea sunt utilizate atât în mod liniar, cât și în mod digital. Un alt tip de optocuploare sunt cele cu tranzistoare cu efect de câmp comutate în paralel. Aceste dispozitive se numesc Releele de stare solidă.
- Fototrictoare. Aceste optocuploare se caracterizează prin puterea de ieșire și viteza de comutare crescute și sunt utile pentru controlul electronicii de putere. Aceste dispozitive sunt, de asemenea, clasificate ca relee în stare solidă.
Microcircuitele de optocuplor utilizate în mod obișnuit sunt ansambluri de optocuplor cu interconexiuni de optocuplor în același pachet. Optocuploarele sunt utilizate ca dispozitive de comutare și în alte scopuri.
Avantaje și dezavantaje
Primul avantaj al optocuploarelor este că nu au părți mecanice. Acest lucru înseamnă că, în timpul funcționării, nu există frecare, uzură sau scânteiere a contactelor, așa cum se întâmplă în cazul releelor electromecanice. Spre deosebire de alte dispozitive de izolare galvanică a semnalelor (transformatoare etc.), optocuploarele pot funcționa la frecvențe foarte joase, inclusiv la curent continuu.
În plus, avantajul izolatoarelor optice este cuplarea capacitivă și inductivă foarte redusă între intrare și ieșire. Acest lucru reduce probabilitatea transmiterii de impulsuri și interferențe de înaltă frecvență. Absența cuplajului mecanic și electric între intrare și ieșire oferă o gamă largă de soluții posibile pentru circuitele de comandă și comutare fără proximitate.
Deși modelele din lumea reală sunt limitate în ceea ce privește tensiunea și curentul de intrare și de ieșire, nu există obstacole teoretice fundamentale în calea creșterii acestor caracteristici. Acest lucru face posibilă proiectarea de optocuploare pentru aproape orice aplicație.
Unul dintre dezavantajele optocuploarelor este transmiterea unidirecțională a semnalelor - nu este posibilă transmiterea unui semnal optic de la fotodetector înapoi la emițător. Acest lucru îngreunează adaptarea feedback-ului circuitului de recepție la semnalul emițătorului.
Răspunsul părții receptoare poate fi influențat nu numai prin modificarea emisiei emițătorului, ci și prin influențarea stării canalului (apariția unor obiecte străine, modificări ale proprietăților optice ale mediului canalului etc.). O astfel de influență poate fi, de asemenea, de natură neelectrică. Acest lucru extinde posibilitățile de utilizare a optocuploarelor. Insensibilitatea la câmpurile electromagnetice externe face posibilă crearea de canale de date cu imunitate ridicată la zgomot.
Principalul dezavantaj al optocuploarelor include eficiența energetică scăzută din cauza pierderilor de semnal asociate cu dubla conversie a semnalului. De asemenea, un dezavantaj este considerat a fi nivelul ridicat de zgomot intrinsec. Acest lucru reduce sensibilitatea optocuploarelor și limitează aplicațiile acestora, în cazul în care sunt necesare semnale slabe.
Atunci când se utilizează optocuploare, trebuie luată în considerare și influența temperaturii asupra parametrilor acestora - aceasta este semnificativă. În plus, printre dezavantajele optocuploarelor se numără degradarea vizibilă a elementelor în timpul funcționării și o anumită lipsă de tehnologie în producție asociată cu utilizarea diferitelor materiale semiconductoare într-un singur pachet.
Caracteristicile optocuplorului
Specificațiile optocuploarelor sunt împărțite în două categorii:
- Caracterizarea proprietăților dispozitivului de transmitere a unui semnal;
- care caracterizează decuplarea dintre intrare și ieșire.
Prima categorie este coeficientul de transfer de curent. Aceasta depinde de emisivitatea LED-ului, de sensibilitatea receptorului și de proprietățile canalului optic. Acesta este raportul dintre curentul de ieșire și curentul de intrare, iar pentru majoritatea tipurilor de optocuploare este de 0,005 până la 0,2. Elementele tranzistorului pot avea un câștig de până la 1.
Dacă considerăm un optocuplor ca fiind un cuadripol, caracteristica de intrare a acestuia este determinată în întregime de caracteristica de ieșire a optoemitorului (LED) și de caracteristica de ieșire a receptorului. Caracteristica de ieșire este neliniară în general, dar unele tipuri de optocuploare au secțiuni liniare. De exemplu, un optocuplor cu diode are o liniaritate bună, dar această secțiune nu este foarte mare.
Elementele de rezistență sunt, de asemenea, evaluate prin raportul dintre rezistența la întuneric (la un curent de intrare egal cu zero) și rezistența la lumină. Pentru optocuploarele cu tiristoare, o caracteristică importantă este curentul minim de menținere în stare deschisă. Cea mai mare frecvență de funcționare este, de asemenea, o caracteristică importantă a optocuplorului.
Calitatea izolației galvanice este caracterizată de:
- cea mai mare tensiune aplicată la intrare și la ieșire;
- cea mai mare tensiune între intrare și ieșire;
- rezistența de izolare între intrare și ieșire;
- Capacitate de trecere.
Acest din urmă parametru caracterizează capacitatea unui semnal electric de înaltă frecvență de a trece de la intrare la ieșire, ocolind canalul optic, prin capacitatea dintre electrozi.
Există parametri pentru a determina capacitatea circuitului de intrare:
- Cea mai mare tensiune care poate fi aplicată la cablurile de intrare;
- Cel mai mare curent pe care îl poate suporta LED-ul;
- Căderea de tensiune pe LED la curentul nominal;
- Tensiunea de intrare inversă - tensiunea de polaritate inversă pe care o poate suporta LED-ul.
Pentru circuitul de ieșire, aceste caracteristici vor fi cel mai mare curent și cea mai mare tensiune de ieșire admisibile și curentul de scurgere la un curent de intrare zero.
Aplicații pentru optocuploare
Optocuploarele cu un canal închis sunt utilizate atunci când, din anumite motive (siguranță electrică etc.), este necesară o decuplare între sursa de semnal și receptor. De exemplu, în circuitele de reacție ale a surselor de alimentare cu comutație - Semnalul este preluat de la ieșirea PSU, alimentat la elementul emițător, a cărui luminozitate depinde de nivelul de tensiune. Un semnal în funcție de tensiunea de ieșire este preluat de la receptor și transmis la controlerul PWM.
În figură este prezentată o diagramă schematică a unei surse de alimentare pentru calculator cu două optocuploare. Optocuplorul superior IC2 asigură reacția de stabilizare a tensiunii. Partea inferioară IC3 funcționează în modul discret și alimentează circuitul PWM IC atunci când este prezentă tensiunea de așteptare.
Izolarea galvanică între sursă și receptor este, de asemenea, cerută de unele interfețe electrice standard.
Dispozitivele cu canal deschis sunt utilizate pentru a crea senzori de detectare a obiectelor (prezența hârtiei într-o imprimantă), întrerupătoare de limită, contoare (elemente pe o bandă transportoare, numărul de dinți de angrenaj la un mouse etc.) etc.
Releele cu semiconductori sunt utilizate în același mod ca și releele convenționale - pentru comutarea semnalelor. Cu toate acestea, utilizarea lor este restricționată de rezistența ridicată a canalului în stare deschisă. Acestea sunt, de asemenea, utilizate ca drivere pentru elemente ale electronicii de putere pe bază de semiconductori (tranzistori cu efect de câmp de mare putere sau IGBT).
Optronul a fost dezvoltat în urmă cu mai bine de jumătate de secol, dar a început să fie utilizat pe scară largă după ce LED-urile au devenit disponibile și ieftine. În prezent, sunt dezvoltate toate modelele noi de optocuploare (în special microcircuite bazate pe acestea), iar domeniul de aplicare este în continuă extindere.
Articole conexe:
