Vad är en optokopplare, hur den fungerar, dess viktigaste egenskaper och var den används

Det optiska paret sändare - optisk mottagare har länge använts inom elektronik och elektroteknik. En elektronisk komponent där mottagaren och sändaren är placerade i samma hölje och där det finns en optisk kommunikation mellan dem kallas optokopplare eller optokopplare.

Optron Design

Optroner består av en optisk sändare (emitter), en optisk kanal och en optisk mottagare. Ljussändaren omvandlar en elektrisk signal till en optisk signal. Sändaren är i de flesta fall en lysdiod (tidigare modeller använde glödlampor eller neonlampor). Användningen av lysdioder är inte avgörande, men de är mer hållbara och tillförlitliga.

Den optiska signalen överförs via en optisk kanal till mottagaren. Kanalen kan vara stängd - när ljuset från sändaren inte lämnar optokopplarens kropp. Den signal som genereras av mottagaren synkroniseras sedan med signalen vid sändarens ingång. Dessa kanaler kan vara luftfyllda eller fyllda med en speciell optisk förening. Det finns också "långa" optokopplare där kanalen är fiberoptik.

Om optokopplaren är utformad så att den genererade strålningen lämnar kapseln innan den når mottagaren kallas den för en öppen kanal. Den kan användas för att upptäcka hinder i ljusstrålens väg.

Fotodetektorn omvandlar den optiska signalen tillbaka till en elektrisk signal. De vanligaste mottagarna är:

1. Fotodioder. Används vanligen i digitala kommunikationslinjer. De har en liten linjär spännvidd.
2. Fotoresistorer. Deras speciella egenskap är mottagarens dubbelriktade ledningsförmåga. Strömmen kan flöda genom motståndet i båda riktningarna.
3. Fototransistorer. En egenskap hos dessa enheter är möjligheten att styra transistorens ström genom optotransistorn och genom utgångskretsen. De används både i linjärt och digitalt läge. En annan typ av optokopplare är de med fälteffekttransistorer som kopplas parallellt. Dessa anordningar kallas Fast tillstånd reläer.
4. Fototyristorer. Dessa optokopplare kännetecknas av ökad utgångseffekt och högre kopplingshastighet och är användbara för styrning av kraftelektronik. Dessa enheter klassificeras också som fasta reläer.

Vanligt förekommande mikrokretsar för optokopplare är optokopplaraggregat med optokopplarförbindelser i samma paket. Optokopplare används som kopplingsanordningar och för andra ändamål.

Fördelar och nackdelar

Den första fördelen med optokopplare är att de inte har några mekaniska delar. Detta innebär att det under drift inte förekommer någon friktion, slitage eller gnistbildning i kontakterna, vilket är fallet med elektromekaniska reläer. Till skillnad från andra galvaniska signalisoleringsanordningar (transformatorer etc.) kan optokopplare fungera vid mycket låga frekvenser, inklusive likström.

Fördelen med optiska isolatorer är dessutom den mycket låga kapacitiva och induktiva kopplingen mellan ingång och utgång. Detta minskar sannolikheten för impulsöverföring och högfrekventa störningar. Avsaknaden av mekanisk och elektrisk koppling mellan ingång och utgång ger ett brett utbud av tekniska lösningar för beröringsfria styr- och kopplingskretsar.

Även om verkliga konstruktioner är begränsade när det gäller spänning och ström för in- och utgång finns det inga grundläggande teoretiska hinder för att öka dessa egenskaper. Detta gör det möjligt att utforma optokopplare för nästan alla tillämpningar.

En av nackdelarna med optokopplare är att signalerna överförs i en riktning - det är inte möjligt att överföra en optisk signal från fotodetektorn tillbaka till sändaren. Detta gör det svårt att anpassa mottagarkretsens återkoppling till sändarsignalen.

Svaret från den mottagande delen kan påverkas inte bara genom att ändra sändarens emission, utan också genom att påverka kanalens tillstånd (förekomst av främmande föremål, förändringar i kanalmediets optiska egenskaper etc.). Sådan påverkan kan också vara av icke-elektrisk natur. Detta utökar möjligheterna att använda optokopplare. Den okänsliga känsligheten för externa elektromagnetiska fält gör det möjligt att skapa datakanaler med hög störningsimmunitet.

Den största nackdelen med optokopplare är låg energieffektivitet på grund av signalförlusterna i samband med den dubbla omvandlingen av signalen. En annan nackdel är den höga ljudnivån. Detta minskar optokopplarnas känslighet och begränsar tillämpningen till svaga signaler.

När man använder optokopplare måste man också ta hänsyn till temperaturens inverkan på deras parametrar - den är betydande. Dessutom har optokopplare nackdelar som en märkbar nedbrytning av elementen under drift och en viss brist på teknik i tillverkningen som hänger samman med användningen av olika halvledarmaterial i samma hölje.

Optokopplarens egenskaper

Specifikationerna för optokopplare är indelade i två kategorier:

• Karakterisering av anordningens egenskaper för att överföra en signal;
• som karakteriserar frikopplingen mellan input och output.

Den första kategorin är strömöverföringskoefficienten. Den beror på lysdiodens emissivitet, mottagarens känslighet och den optiska kanalens egenskaper. Detta är förhållandet mellan utgångsströmmen och ingångsströmmen, och för de flesta optokopplartyper är det 0,005-0,2. Transistorelement kan ha en förstärkning som är så hög som 1.

Om vi betraktar en optokopplare som en kvadrupol bestäms dess ingångskarakteristik helt och hållet av utgångskarakteristiken för opto-emittern (LED) och mottagarens utgångskarakteristik. Utgångskarakteristiken är i allmänhet icke-linjär, men vissa typer av optokopplare har linjära delar. Till exempel har en optoadapter med diod en god linjäritet, men denna sektion är inte särskilt stor.

Resistorelement utvärderas också genom förhållandet mellan mörkermotståndet (vid en ingångsström som är lika med noll) och ljusmotståndet. En viktig egenskap för optokopplare med tyristor är den minsta hållströmmen i öppet läge. Den högsta driftsfrekvensen är också en viktig egenskap hos optokopplaren.

Kvaliteten på den galvaniska isoleringen kännetecknas av:

• den största spänningen som appliceras på ingången och utgången;
• den högsta spänningen mellan ingången och utgången;
• Isoleringsmotstånd mellan ingång och utgång;
• Genomgångskapacitans.

Den sistnämnda parametern kännetecknar förmågan hos en elektrisk högfrekvenssignal att passera från ingång till utgång, utan att gå förbi den optiska kanalen, genom kapacitansen mellan elektroderna.

Det finns parametrar för att bestämma ingångskretsens kapacitet:

• Den högsta spänning som kan appliceras på ingångsledningarna;
• Den högsta ström som lysdioden kan hantera;
• Spänningsfallet över lysdioden vid den nominella strömmen;
• Spänning för omvänd ingångsspänning - den spänning för omvänd polaritet som lysdioden kan hantera.

För utgångskretsen är dessa egenskaper den högsta tillåtna ström- och spänningsutgången och läckströmmen vid noll ingångsström.

Tillämpningar för optokopplare

Optokopplare med sluten kanal används när det av någon anledning (elsäkerhet etc.) krävs en frikoppling mellan signalkälla och mottagare. I återkopplingskretsarna i t.ex. av kopplade nätaggregat - Signalen tas från nätaggregatets utgång och matas till det lysande elementet, vars ljusstyrka beror på spänningsnivån. En signal som beror på utgångsspänningen tas från mottagaren och matas till PWM-regulatorn.

I figuren visas ett schematisk schema för ett datoraggregat med två optokopplare. Den övre optokopplaren IC2 ger en spänningsstabiliserande återkoppling. Den nedre IC3 arbetar i diskret läge och levererar ström till PWM-IC:n när standby-spänningen är närvarande.

Galvanisk isolering mellan källa och mottagare krävs också för vissa elektriska standardgränssnitt.

Enheter med öppen kanal används för att skapa sensorer för föremålsdetektering (närvaron av papper i en skrivare), gränsvärdesbrytare, räknare (föremål på ett transportband, antalet kuggtänder i en mus etc.) etc.

Fastämnesreläer används på samma sätt som konventionella reläer - för att växla signaler. Användningen begränsas dock av kanalens höga motstånd i öppet tillstånd. De används också som drivrutiner för delar av fast tillståndseffektelektronik (fälteffekttransistorer eller IGBT-transistorer med hög effekt).

Optronen utvecklades för över ett halvt sekel sedan, men började användas i stor utsträckning efter att lysdioder blev tillgängliga och billiga. Nu utvecklas alla nya modeller av optokopplare (mestadels mikrokretsar baserade på dem), och användningsområdet blir allt större.

Relaterade artiklar: