Par "optični oddajnik - optični sprejemnik" se že dolgo uporablja v elektroniki in elektrotehniki. Elektronska komponenta, pri kateri sta sprejemnik in oddajnik v istem ohišju in med njima poteka optična komunikacija, se imenuje optični sklopnik ali optični sklopnik.
Vsebina
Optron Design
Optrone sestavljajo optični oddajnik (emiter), optični kanal in optični sprejemnik. Fototransmiter pretvori električni signal v optični signal. Oddajnik je v večini primerov LED (zgodnji modeli so uporabljali žarnice z žarilno nitko ali neonske žarnice). Uporaba LED je nenačelna, vendar so bolj trpežne in zanesljive.
Optični signal se prenaša po optičnem kanalu do sprejemnika. Kanal se lahko zapre - ko svetloba, ki jo oddaja oddajnik, ne preseže telesa optičnega sklopnika. Nato se signal, ki ga ustvari sprejemnik, sinhronizira s signalom na vhodu oddajnika. Ti kanali so lahko napolnjeni z zrakom ali napolnjeni s posebno optično zmesjo. Obstajajo tudi "dolgi" optični sklopniki, v katerih je kanal optičnimi vlakni.
Če je optični sklopnik zasnovan tako, da ustvarjeno sevanje zapusti ohišje, preden doseže sprejemnik, se imenuje odprt kanal. Uporablja se lahko za zaznavanje ovir na poti svetlobnega žarka.
Fotodetektor pretvori optični signal nazaj v električni signal. Najpogosteje uporabljeni sprejemniki so:
- Fotodiode. Običajno se uporablja v digitalnih komunikacijskih linijah. Imajo majhen linearni odsek.
- Fotorezistorji. Njihova značilnost je dvosmerna prevodnost sprejemnika. Tok skozi upor lahko gre v obe smeri.
- Fototranzistorji. Značilnost takih naprav je zmožnost krmiljenja tranzistorskega toka skozi optotranzistor in izhodno vezje. Uporabljajo se v linearnem in digitalnem načinu. Posebna vrsta optičnih spojnikov so optični sklopniki z vzporedno vklopljenimi tranzistorji na efekt polja. Te naprave se imenujejo Polprevodniški releji.
- Fototiristorji. Za takšne optične spojnike je značilna povečana izhodna moč in hitrost preklopa, takšne naprave so primerne za krmiljenje elementov močnostne elektronike. Te naprave spadajo tudi v kategorijo polprevodniških relejev.
Mikrovezja optičnih sklopnikov - sklopi optičnih sklopnikov z ožičenjem optičnih sklopnikov v enem paketu - so postala zelo razširjena. Takšni optični sklopniki se uporabljajo kot stikalne naprave in za druge namene.
Prednosti in slabosti
Prva opažena prednost optičnih naprav je odsotnost mehanskih delov. To pomeni, da med delovanjem ni trenja, obrabe, iskrenja kontaktov, kot pri elektromehanskih relejih. Za razliko od drugih naprav za galvansko ločitev signala (transformatorji ipd.) lahko optični sklopniki delujejo pri zelo nizkih frekvencah, vključno z enosmernim tokom.
Poleg tega je prednost optičnih izolatorjev zelo nizka kapacitivna in induktivna sklopitev med vhodom in izhodom.S tem se zmanjša verjetnost prenosa pulznih in visokofrekvenčnih motenj. Odsotnost mehanske in električne povezave med vhodom in izhodom zagotavlja različne tehnične rešitve za ustvarjanje brezkontaktnih krmilnih in preklopnih vezij.
Čeprav so zasnove v resničnem svetu omejene glede napetosti in toka za vhod in izhod, ni temeljnih teoretičnih ovir za povečanje teh značilnosti. To omogoča izdelavo optičnih sklopnikov, ki ustrezajo skoraj vsaki aplikaciji.
Slabosti optičnih spojnikov vključujejo enosmerni prenos signala - ne morete prenesti optičnega signala iz fotodetektorja nazaj v oddajnik. Zaradi tega je težko organizirati povratno zanko, ki ustreza odzivu sprejemnega vezja signalu oddajnika.
Na odziv sprejemnega dela lahko vplivamo ne samo s spreminjanjem sevanja oddajnika, ampak tudi z vplivanjem na stanje kanala (pojav tujkov, spremembe optičnih lastnosti medija kanala itd.). Tak vpliv je lahko neelektrične narave. S tem se razširijo možnosti uporabe optičnih sklopnikov. Neobčutljivost na zunanja elektromagnetna polja vam omogoča ustvarjanje podatkovnih kanalov z visoko odpornostjo na hrup.
Glavna pomanjkljivost optronov je nizka energetska učinkovitost, povezana z izgubami signala pri dvojni pretvorbi signala. Pomanjkljivost je tudi visoka notranja raven hrupa. To zmanjša občutljivost optičnih sklopnikov in omejuje njihovo uporabo, kjer so potrebni šibki signali.
Pri uporabi optičnih sklopnikov je treba upoštevati vpliv temperature na njihove parametre - to je pomembno.Poleg tega so pomanjkljivosti optičnih sklopnikov opazna degradacija elementov med delovanjem in določeno pomanjkanje tehnologije v proizvodnji, povezano z uporabo različnih polprevodniških materialov v enem paketu.
Značilnosti optocouplerja
Parametri optičnega sklopnika so razdeljeni v dve kategoriji:
- Opredelitev lastnosti naprave za prenos signala;
- ki označuje ločevanje med vhodom in izhodom.
Prva kategorija je koeficient prenosa toka. Odvisno je od emisivnosti LED, občutljivosti sprejemnika in lastnosti optičnega kanala. Ta koeficient je enak razmerju med izhodnim in vhodnim tokom in je za večino tipov optičnih sklopnikov 0,005 ... 0,2. Tranzistorski elementi imajo prenosni koeficient do 1.
Če optični sklopnik obravnavamo kot kvadrupol, je njegova vhodna karakteristika v celoti določena z voltmetrom (LED), izhodna karakteristika pa je določena s karakteristiko sprejemnika. Vhodna karakteristika je na splošno nelinearna, vendar imajo nekatere vrste optičnih sklopnikov linearne odseke. Na primer, dobra linearnost ima del WAV diodnega optičnega sklopnika, vendar ta del ni zelo velik.
Uporovne elemente ocenjujemo tudi z razmerjem med temnim uporom (pri vhodnem toku, ki je enak nič) in svetlobnim uporom. Pri tiristorskih optosklopnikih je pomembna lastnost najmanjši zadrževalni tok v odprtem stanju. Najvišja delovna frekvenca je tudi pomembna lastnost optičnega sklopnika.
Za kakovost galvanske izolacije je značilno:
- največja napetost na vhodu in izhodu;
- največja napetost med vhodom in izhodom;
- izolacijska upornost med vhodom in izhodom;
- pretočna kapacitivnost.
Zadnji parameter označuje sposobnost električnega visokofrekvenčnega signala, da pušča od vhoda do izhoda, mimo optičnega kanala, skozi kapacitivnost med elektrodama.
Obstajajo parametri za določanje zmogljivosti vhodnega vezja:
- Največja napetost, ki jo je mogoče uporabiti na vhodnih vodnikih;
- Največji tok, ki ga LED zmore;
- Padec napetosti na LED pri nazivnem toku;
- povratna vhodna napetost - obratna polarnost napetosti, ki jo LED zmore.
Za izhodno vezje bodo te značilnosti najvišji dovoljeni izhodni tok in napetost ter tok uhajanja pri ničelnem vhodnem toku.
Aplikacije za optične spojnike
Optični sklopniki z zaprtim kanalom se uporabljajo tam, kjer je iz nekega razloga (električna varnost itd.) potrebna ločitev med virom signala in sprejemnikom. Na primer v povratnih vezjih stikalnih napajalnikov - signal se vzame iz izhoda PSU, napaja na oddajni element, katerega svetlost je odvisna od nivoja napetosti. Signal, odvisen od izhodne napetosti, se vzame iz sprejemnika in napaja v krmilnik PWM.
Shema računalniškega PSU z dvema optičnima sklopnikoma je prikazana na sliki. Zgornji optični sklopnik IC2 ustvarja povratno informacijo za stabilizacijo napetosti. Spodnji IC3 deluje v diskretnem načinu in napaja IC PWM, ko je prisotna napetost v stanju pripravljenosti.
Galvansko izolacijo med virom in sprejemnikom zahtevajo tudi nekateri standardni električni vmesniki.
Naprave z odprtim kanalom se uporabljajo za ustvarjanje senzorjev za zaznavanje kakršnih koli predmetov (prisotnost papirja v tiskalniku), končna stikala, števce (predmeti na tekočem traku, število zobnikov v manipulatorjih miške) itd.
Polprevodniški releji se uporabljajo na enak način kot običajni releji – za preklapljanje signalov. Toda njihovo širjenje je omejeno z visoko odpornostjo kanala v odprtem stanju. Uporabljajo se tudi kot gonilniki za elemente polprevodniške močnostne elektronike (visoko močni poljski ali IGBT tranzistorji).
Optron je bil razvit pred več kot pol stoletja, vendar se je njegova široka uporaba začela, ko so LED diode postale dostopne in poceni. Zdaj se razvijajo vsi novi modeli optičnih sklopnikov (večinoma čipov, ki temeljijo na njih), njihovo področje uporabe pa se samo širi.
Povezani članki:
