Dvojica optický vysielač - optický prijímač sa už dlho používa v elektronike a elektrotechnike. Elektronická súčiastka, v ktorej sú prijímač a vysielač umiestnené v tom istom kryte a prebieha medzi nimi optická komunikácia, sa nazýva optočlen alebo optoizolátor.
Optron Design
Optróny sa skladajú z optického vysielača (emitora), optického kanála a optického prijímača. Vysielač svetla premieňa elektrický signál na optický signál. Vysielač je vo väčšine prípadov LED (v prvých modeloch sa používali žiarovky alebo neónové žiarovky). Použitie LED diód nie je rozhodujúce, ale sú odolnejšie a spoľahlivejšie.
Optický signál sa prenáša optickým kanálom do prijímača. Kanál môže byť uzavretý - keď svetlo vyžarované vysielačom neopúšťa telo optočlenu. Signál generovaný prijímačom sa potom synchronizuje so signálom na vstupe vysielača. Tieto kanály môžu byť vyplnené vzduchom alebo špeciálnou optickou zmesou. Existujú aj "dlhé" optočleny, kde je kanál optické vlákno.
Ak je optočlen navrhnutý tak, že generované žiarenie opúšťa kryt skôr, ako dosiahne prijímač, nazýva sa otvorený kanál. Môže sa použiť na detekciu prekážok v ceste svetelného lúča.
Fotodetektor prevádza optický signál späť na elektrický signál. Najčastejšie používané prijímače sú:
- Fotodiódy. Typicky sa používa v digitálnych komunikačných linkách. Majú malé lineárne rozpätie.
- Fotorezistory. Ich zvláštnosťou je obojsmerná vodivosť prijímača. Rezistorom môže pretekať prúd v oboch smeroch.
- Fototranzistory. Vlastnosťou týchto zariadení je možnosť riadiť prúd tranzistora cez opto-tranzistor, ako aj cez výstupný obvod. Používajú sa v lineárnom aj digitálnom režime. Samostatným typom optočlenov sú optočleny s paralelne spínanými tranzistormi. Tieto zariadenia sa nazývajú Polovodičové relé.
- Fototyristory. Tieto optočleny sa vyznačujú zvýšeným výstupným výkonom a rýchlosťou spínania a sú užitočné na riadenie výkonovej elektroniky. Tieto zariadenia sa tiež zaraďujú do kategórie polovodičových relé.
Bežne používané optočlenové mikroobvody sú optočlenové zostavy s optočlenovými prepojeniami v tom istom obale. Optočlen sa používa ako spínacie zariadenie a na iné účely.
Výhody a nevýhody
Prvou výhodou optočlenov je, že nemajú žiadne mechanické časti. To znamená, že počas prevádzky nedochádza k treniu, opotrebovaniu alebo iskreniu kontaktov ako pri elektromechanických relé. Na rozdiel od iných zariadení na galvanické oddelenie signálu (transformátory atď.) môžu optočleny pracovať pri veľmi nízkych frekvenciách vrátane jednosmerného prúdu.
Okrem toho je výhodou optických izolátorov veľmi nízka kapacitná a indukčná väzba medzi vstupom a výstupom. Tým sa znižuje pravdepodobnosť impulzného a vysokofrekvenčného rušenia. Absencia mechanickej a elektrickej väzby medzi vstupom a výstupom poskytuje širokú škálu technických riešení pre bezkontaktné riadiace a spínacie obvody.
Hoci sú reálne konštrukcie obmedzené z hľadiska napätia a prúdu na vstupe a výstupe, neexistujú žiadne zásadné teoretické prekážky pre zvýšenie týchto charakteristík. Vďaka tomu je možné navrhnúť optočlen pre takmer všetky aplikácie.
Jednou z nevýhod optočlenov je jednosmerný prenos signálov - nie je možné prenášať optický signál z fotodetektora späť do vysielača. To sťažuje prispôsobenie spätnej väzby obvodu prijímača signálu vysielača.
Odozvu prijímacej časti možno ovplyvniť nielen zmenou vyžarovania vysielača, ale aj ovplyvnením stavu kanála (výskyt cudzích objektov, zmeny optických vlastností prostredia kanála atď.). Takýto vplyv môže byť aj neelektrickej povahy. To rozširuje možnosti použitia optočlenov. Necitlivosť na vonkajšie elektromagnetické polia umožňuje vytvárať dátové kanály s vysokou odolnosťou voči šumu.
Medzi hlavné nevýhody optočlenov patrí nízka energetická účinnosť v dôsledku strát signálu spojených s dvojitou konverziou signálu. Za nevýhodu sa považuje aj vysoká vlastná hladina hluku. To znižuje citlivosť optočlenov a obmedzuje ich použitie tam, kde sa vyžadujú slabé signály.
Pri používaní optočlenov treba brať do úvahy aj vplyv teploty na ich parametre - je významný. Okrem toho medzi nevýhody optočlenov patrí viditeľná degradácia prvkov počas prevádzky a určitá technologická nejednotnosť výroby spojená s použitím rôznych polovodičových materiálov v jednom obale.
Charakteristika optočlenu
Špecifikácie optočlenov sú rozdelené do dvoch kategórií:
- Charakteristika vlastností zariadenia na prenos signálu;
- charakterizuje oddelenie medzi vstupom a výstupom.
Prvou kategóriou je koeficient prenosu prúdu. Závisí od emisivity LED, citlivosti prijímača a vlastností optického kanála. Je to pomer výstupného prúdu k vstupnému prúdu a pre väčšinu typov optočlenov je 0,005 až 0,2. Tranzistorové prvky môžu mať zosilnenie až 1.
Ak považujete optočlen za štvorpól, jeho vstupná charakteristika je úplne určená výstupnou charakteristikou optoemitora (LED) a výstupnou charakteristikou prijímača. Výstupná charakteristika je vo všeobecnosti nelineárna, ale niektoré typy optočlenov majú lineárne časti. Napríklad diódový optočlen má dobrú linearitu, ale tento úsek nie je veľmi veľký.
Rezistorové prvky sa hodnotia aj pomerom odporu v tme (pri vstupnom prúde rovnom nule) k odporu svetla. Dôležitou charakteristikou tyristorových optočlenov je minimálny prídržný prúd v rozpojenom stave. Dôležitou vlastnosťou optočlenu je aj najvyššia pracovná frekvencia.
Kvalita galvanického oddelenia sa vyznačuje:
- najväčšie napätie privedené na vstup a výstup;
- najvyššie napätie medzi vstupom a výstupom;
- izolačný odpor medzi vstupom a výstupom;
- Priepustná kapacita.
Tento parameter charakterizuje schopnosť elektrického vysokofrekvenčného signálu prechádzať zo vstupu na výstup, obchádzajúc optický kanál, cez kapacitu medzi elektródami.
Existujú parametre na určenie schopnosti vstupného obvodu:
- Najväčšie napätie, ktoré možno priložiť na vstupné vodiče;
- Najvyšší prúd, ktorý LED dióda zvládne;
- Úbytok napätia na LED dióde pri menovitom prúde;
- Reverzné vstupné napätie - napätie s reverznou polaritou, ktoré LED dióda zvládne.
Pre výstupný obvod budú tieto charakteristiky predstavovať najvyšší prípustný výstupný prúd a napätie a zvodový prúd pri nulovom vstupnom prúde.
Aplikácie optočlenov
Optočlen s uzavretým kanálom sa používa tam, kde sa z nejakého dôvodu (elektrická bezpečnosť atď.) vyžaduje oddelenie medzi zdrojom signálu a prijímačom. Napríklad v obvodoch spätnej väzby spínaných napájacích zdrojov - Signál sa odoberá z výstupu PSU a privádza sa do vyžarujúceho prvku, ktorého jas závisí od úrovne napätia. Z prijímača sa odoberá signál závislý od výstupného napätia a privádza sa do regulátora PWM.
Schéma počítačového PSU s dvoma optočlenmi je znázornená na obrázku. Horný optočlen IC2 poskytuje spätnú väzbu stabilizujúcu napätie. Spodný IC3 pracuje v diskrétnom režime a pri prítomnosti pohotovostného napätia napája IC PWM.
Galvanické oddelenie medzi zdrojom a prijímačom vyžadujú aj niektoré štandardné elektrické rozhrania.
Zariadenia s otvoreným kanálom sa používajú na vytvorenie snímačov detekcie objektov (prítomnosť papiera v tlačiarni), koncových spínačov, počítadiel (položky na dopravníkovom páse, počet zubov prevodovky v myši atď.) atď.
Polovodičové relé sa používajú rovnako ako bežné relé - na spínanie signálov. Ich použitie je však obmedzené vysokým odporom kanála v otvorenom stave. Používajú sa aj ako ovládače pre prvky polovodičovej výkonovej elektroniky (výkonné tranzistory s poľom alebo IGBT).
Optron bol vyvinutý pred viac ako polstoročím, ale začal sa používať až po tom, ako sa stali dostupné a lacné LED diódy. V súčasnosti sa vyvíjajú všetky nové modely optočlenov (väčšinou na nich založené mikroobvody) a oblasť ich použitia sa len rozširuje.
Súvisiace články:
