Продажа квадроциклов, снегоходов и мототехники
second logo
Пн-Чт: 10:00-20:00
Пт-Сб: 10:00-19:00 Вс: выходной

+7 (812) 924 3 942

+7 (911) 924 3 942

Содержание

Оптопара: описание, подключение, схема, характеристики

Содержание
  • Принцип работы
  • Разновидности
  • Примеры
  • Вывод
  • FAQ

Принцип работы

Как нетрудно догадаться из названия, устройство состоит из пары элементов, как-то связанных с оптикой. Так и есть, первый - излучатель света, второй - приемник. В качестве излучателя может быть использован любой источник из видимого или невидимого спектра: светодиод, лазер, восковая свеча, да хоть лампочка Ильича. В качестве приемника: фототранзистор, фотодиод, реже камера. Оптопара может быть выполнена в качестве цельного, готового к применению устройства, содержащего в одном корпусе оба элемента, в таком случае оно еще известно под общим названием “оптрон”. Реже оптопара может представлять собой два отдельных устройства, которые взаимодействуют между собой на расстоянии без физического контакта. Несмотря на разницу в исполнениях, принцип работы у них одинаков - излучатель передает сигнал, приемник принимает. Для чего это нужно и как это использовать на практике, рассмотрим далее.

Разновидности

Назначений такому дуэту можно придумать массу, и эта масса разделяется, по принципу работы, на три вида. В первом случае Приемник фиксирует сам факт наличия сигнала на излучателе. Светит ему что-то или нет?

Данная схема используется, например, для передачи какой-либо информации между двумя независимыми и гальванически не связанными электрическими схемами. При этом оптопара так и называется: гальваническая развязка. В качестве сигнала может быть, например, источник напряжения 12В или 220В, а принимающая сторона работает на логике 3,3В, чтобы не сжечь первым второе, используем оптопару. Дешево, надежно и безопасно.

Во втором случае излучатель светит всегда, но мы контролируем наличие или отсутствие препятствий между источником и приемником.

Такого рода устройства применяются в качестве более точной и долговечной альтернативы концевым переключателям. Хороший пример - 3D принтеры. В более дорогих моделях в качестве датчиков крайних положений печатающего узла и столика используются именно оптопары. Остальные им завидуют и стремятся побыстрее проапгрейдить свои капризные механические концевики.

Третий тип консольный. Излучатель не светит непосредственно на приемник, но приемник все равно в состоянии уловить этот свет, если тот удачно отразится от какой-либо поверхности.

Применяется для определения наличия поверхности в принципе или ее отдельных свойств, например цвета. Подобного типа датчики широко используются для создания всем надоевших машин, ездящих вдоль черной линии, что уже является неким “Hello World!” в мире начинающих любителей робототехники.


Примеры

Оптроны конструктивно подразделяются на те же три вида, в зависимости от описанных выше принципов: закрытый, щелевой и открытый.

Закрытый оптрон полностью соответствует своему названию и представляет собой “черный ящик” со входом и выходом.

Устройство его очень простое, на входе светодиод, на выходе фототранзистор. Подаем напряжение на вход (не забывая про токоограничивающий резистор!), на выходе получаем либо открытый либо закрытый транзистор, что легко перевести в логический ноль или единицу.

В упрощенном виде схема подключения закрытого оптрона можно изобразить так:

В данном примере, пока кнопка разомкнута, на выходе будет считываться уверенная единица, но замыкая кнопку, транзистор закрывается и, как следствие, на выходе образуется не менее уверенный в себе ноль.

Показательным примером использования закрытого оптрона является управление реле. Каким бы ни было напряжение на силовой части, на сигнальную сторону никаких вредных воздействий не будет, даже если само реле сгорит от перегрузки или короткого замыкания.

В продаже имеются многокатальные оптроны, то есть имеющие несколько независимых входов и выходов, иногда это удобно для экономии места, а также (при некоторой сноровке и наличии дополнительных нехитрых электронных компонентов) позволяет конструировать логические схемы, избавляя контроллер от некоторых операций или вовсе обходясь без него. Кроме того, существуют оптроны симметричные, когда одновременно открывается несколько транзисторов, или асимметричные, когда одни открываются, а другие закрываются при одном и том же сигнале. Хватило бы фантазии как использовать все эти комбинации.

Более совершенным подвидом закрытых оптронов являются их цифровые братья. Они сразу предоставляют готовый сигнал на выходе, толерантны к большим диапазонам напряжений, уже имеют на борту элементы бинарной логики и намного быстрее реагируют. Время срабатывания исчисляется наносекундам, в отличие от микросекунд у традиционных вариантов. Иногда это преимущество очень существенно, особенно если речь идет скоростной передачи данных.

Щелевой оптрон может иметь любой размер и форму - от банального куба до самой непредсказуемой, в зависимости от технических нужд и фантазии изготовителя, но на нем обязательно должна присутствовать так называемая “оптическая щель”, разделяющая источник и приемник. Именно через нее проходит луч света, который может быть перекрыт объектом из внешнего мира.

Как уже упоминалось выше, подобные оптроны заменяют концевые переключатели, а также используются в оптических энкодерах, частным случаем которых является морально устаревшая шариковая мышь.

Частным случаем щелевого оптрона является оптопара из двух отдельных устройств. По сути, отличие лишь в отсутствии единого корпуса и наличии огромной “щели”, размер которой ограничивается мощностью излучателя и прозрачностью рабочей среды. В качестве излучателя для такого рода устройств чаще всего используется лазер, потому что его луч способен сохранять форму, размер и яркость на гораздо больших расстояниях, чем любые другие источники света. Применяется для контролирования перемещений больших объектов на производстве и в охранных системах. Часто сетки из таких оптронов можно видеть в квестах и голливудских фильмах, потому что они очень эффектно выглядят, правда только в дымке.

Ради любви к истине следует отметить, что движущиеся охранные лучи работают, вероятно, по другому принципу, так как перемещать приемники вслед за лучами технически очень сложно. Но киноделы этим не заморачиваются и, судя по всему, приемники им вовсе не нужны.

Еще одно интересное применение открытой оптопары. Если “растянуть” лазерный луч над водной гладью заполненной емкости и правильно соединить контакты с фотовспышкой, то удастся поймать в любом количестве нужное и красивое мгновение входа предмета в воду без использования дорогой скоростной камеры.

 

Открытый оптрон, более известный в народе как “датчик препятствий” и “датчик черной линии”, представляет собой излучатель и приемник, направленные в одну сторону.

 

Как правило, для таких датчиков используется инфракрасный спектр излучателя, чтобы минимизировать нежелательное влияние внешней засветки.

Кроме этого, важным отличием открытых оптронов от предыдущих видов является возможность регулировки чувствительности приемника. Если у закрытых и щелевых все просто: свет либо есть, либо его нет, то для открытых его может быть много или мало, а условную границу того, что считать “белым”, а что “черным”, можно слегка подкручивать вручную. Причем делать это в прямом смысле, вращая потенциометр отверткой. Для датчика препятствий физически это означает расстояние до поверхности (чем выше чувствительность, тем дальше заметит), а для датчика линии - контрастность этой самой линии на остальном фоне поля.

Широко применяются в автоматизации, охране, робототехнике, аттракционах и так далее.


Выводы

Оптопара - яркий, удачный и классический пример симбиоза двух элементарных компонентов электроники. Простое сочетание позволило получить надежное устройство с широким спектром применения:
  • датчики движения,
  • датчики препятствия,
  • датчики положения,
  • энкодеры,
  • гальваническая развязка в массе устройств,
  • многое другое.
Знать возможности оптопар, уметь пользоваться и правильно применять должен каждый уважающий себя DIY-мастер.

FAQ

Зачем нужен резистор на входе оптрона?
В качестве излучателя используется обычный по своим свойствам светодиод. Внутреннее сопротивление его стремится к нулю, а поэтому без резистора, ограничивающего ток, он очень быстро перегорит.

Каким образом считывать показание с выхода оптрона?
Так же как с обычной кнопки - или периодическим опросом, или через аппаратное прерывание.

Есть ли “дребезг” на выходе с оптрона?
Теоретически нет, обычный оптрон просто не успеет его передать, а цифровой обеспечен встроенным гистерезисом. Однако на практике такое возможно, например, когда край отслеживаемого щелевым оптроном объекта неровный и движется достаточно медленно. В этом случае в переходный период может произойти некоторое “мерцание”, когда светодиод будет то включаться, то выключаться. Подавлять нежелательный эффект можно так же, как “дребезг” кнопки, проще всего программно, при помощи подобранных - в зависимости от ситуации - пауз между опросами.

Можно ли обмануть датчик движения на оптопаре при помощи зеркала, как это показывают в некоторых фильмах?
Теоретически можно, но при помощи системы из четырех как минимум зеркал, которые “поднимут” луч, образуя арку для злоумышленника. Практически же воспользоваться такой системой почти невозможно, малейшее колебание - и луч собьется. Однако можно временно засветить приемник другим лазером, если устройство не оборудовано способом борьбы с такого рода обманом.

Можно ли при помощи датчика препятствий узнать расстояние до преграды?
Нет, датчик возвращает бинарный сигнал - либо “есть препятствие”, либо “нет препятствий”. Однако можно использовать несколько заранее отрегулированных на разное расстояние датчиков и получать примерную информацию о положении препятствия. Иногда это удобно, например, чтобы предварительно сбросить скорость робота, манипулятора, конвейера перед окончательной точной остановкой.

Сколько нужно датчиков черной линии для робота?


Достаточно одного, но двигаться робот будет медленно, регулярно теряя и ища линию. Два обеспечат довольно устойчивое распознавание линии и более-менее уверенное движение. Четыре и более обеспечат навигацию робота гоночными возможностями, если для этого есть остальные возможности.

Оптопара PC817 принцип работы и очень простая проверка. — schip.com.ua

Описание, характеристики , Datasheet  и методы проверки оптронов на примере PC817.

В продолжение темы «Популярные радиодетали при ремонтах импульсных блоков питания» разберем еще одну деталь- оптопара (оптрон ) PC817. Он состоит из светодиода и фототранзистора. Между собой электрически никак не связанны, благодаря чему на основе PC817 можно реализовать гальваническую развязку двух частей схемы — например с высоким напряжением и с низким. Открытие фототранзистора зависит от освещенности светодиодом. Как это происходит более подробно я разберу в следующей статье где в экспериментах подавая сигналы с генератора и анализируя его при помощи осциллографа можно понять более точную картину работы оптопары.

Еще в других статьях я расскажу о нестандартном использовании оптрона первая в роли

реле -RS триггера с фиксацией состояний, а во второй генератор периодических сигналов.  И используя эти схемные решения соберу очень простой тестер оптопар. Которому не не нужны никакие дорогие и редкие приборы, а всего лишь несколько дешевых радиодеталей.

Деталь не редкая и не дорогая. Но от нее зависит очень многое. Она используется практически в каждом ходовом (я не имею ввиду каком нибудь эксклюзивном) импульсном БЛОКЕ ПИТАНИЯ и выполняет роль обратной связи и чаще всего в связке тоже с очень популярной радиодеталью TL431 Описание и проверка здесь

Для тех читателей, кому легче информацию воспринимать на слух, советуем посмотреть видео в самом низу страницы.

Оптопара ( Оптрон ) PC817

Краткие характеристики:

Максимальное напряжение изоляции вход-выход 5000 В

Максимальный прямой ток

50 мА
Максимальная рассеиваемая на коллекторе мощность 150 мВт
Максимальная пропускаемая частота 80 кГц

Диапазон рабочих температур

-30°C..+100°C
Тип корпуса DIP-4

Корпус компактный:

  • шаг выводов – 2,54 мм;
  • между рядами – 7,62 мм.

Производитель PC817 – Sharp, встречаются другие производители электронных компонентов выпускают аналоги- например:

  • Siemens – SFH618
  • Toshiba – TLP521-1
  • NEC – PC2501-1
  • LITEON – LTV817
  • Cosmo – KP1010

Кроме одинарного оптрона PC817 выпускаются и другие варианты:

  • PC827 — сдвоенный;
  • PC837 – строенный;
  • PC847 – счетверенный.

Даташит на оптопару PC817 rus

Проверка оптопары

Для быстрой проверки оптопары я провел несколько тестовых экспериментов. Сначала на макетной плате.

Вариант на макетной плате

В результате удалось получить очень простую схему для проверки PC817 и других похожих оптронов.

Первый вариант схемы

Первый вариант я забраковал по той причине что он инвертировал маркировку транзистора с n-p-n  на  p-n-p

Поэтому чтобы не возникало путаницы я изменил схему на следующую ;

Второй вариант схемы

Второй вариант работал правильно но неудобно было распаять стандартную панельку

SCS- 8

под микросхему

Панелька SCS- 8


Третий вариант схемы

Самый удачный

Uf — напряжение на светодиоде при котором начинает открываться фототранзистор.

в моем варианте Uf = 1.12 Вольт.

В результате получилась такая очень простая конструкция:

Вид сверху


Вид снизу

Как видно из фото деталь развернута не по ключу.

Используя которую можно очень быстро проверить деталь. За свою практику ремонтов конечно не часто , но я сталкивался с неработающими оптопарами и раньше мне приходилось заморачиваться  над проверкой детали когда иногда бывало заходил в тупик во время сложного ремонта.

Конечный вариант — все очень просто.

Похожие статьи по теме:

PC817 эксперименты с оптопарой

 

Оптрон PC817 в режиме тиристора или самая простая схема проверки.

 

Генератор на оптроне. На примере PC817.

 

Кому лень читать

Видео на эту тему :

Еще более простой способ проверки оптрона PC817

Понятно что использование китайского тестера для проверки оптопары не самый простой , точнее простой но не самый дешевый метод. Такой прибор не во всех есть в хозяйстве.

Поэтому предлагаю вашему вниманию более простой , а главное дешевый тестер оптронов.

Он состоит из двух кнопок , двух резисторов , светодиода и панельки ( сокета ) под микросхему.

Если кому интересно , вот ссылка

Оптрон PC817 в режиме тиристора или самая простая схема проверки.

Разгоняем оптрон до сотни / Хабр

Если поискать в интернете схемы подключения оптронов, то можно обнаружить, что в подавляющем большинстве случаев предлагается просто добавить резистор. Это самая простая схема, она же и самая медленная. Когда скорость реакции не устраивает, предлагается ставить более быстрый оптрон, но, во-первых, быстрые оптроны - это дорого, и во-вторых, почему бы не разогнать быстрый оптрон до ещё большей скорости?

Итак, в чём основная проблема передачи сигнала через оптопару? Обычно в оптопаре на выходе стоит биполярный транзистор, а все биполярные транзисторы страдают такой проблемой как ёмкость переходов. Основную проблему создаёт ёмкость между коллектором и базой, во время переходных процессов именно она мешает транзистору быстро открываться и закрываться. Это явление называется эффект Миллера. Ещё во времена ламповых приёмников придумали, как с ним бороться. Основная идея в том, чтобы напряжение между базой и коллектором не менялось, в таком случае не придётся тратить время на перезарядку паразитной ёмкости.

Для примера давайте сравним, как ведёт себя оптрон при обычном включении и при включении с постоянным напряжением. В первом случае ёмкость заряжается так медленно, что выходной сигнал болтается где-то возле середины.

А теперь модельное включение, которое должно показать предельно достижимое время реакции.

Такой сигнал (красный график) выглядит намного приятнее, фронты уменьшились до 0.1 мкс. В исходном они были где-то 2-3 мкс, то есть ускорение примерно в 20-30 раз. Теперь возникает вопрос, как этим воспользоваться на практике, снять сигнал с оптрона, не меняя напряжения. И первый способ - это каскодное включение (зелёный график).

Уже неплохо, со 100 кБит/с разогнались до 1 Мбит/с, но всё ещё не идеально. Если добавить ещё один резистор, то можно построить дифференциальный усилитель.

Немного Титце и Шенка, и пожалуйста, графики практически совпали, 3 мкс превратились в 100 нс.

Ура, всё работает, расходимся? Нет, нужно больше золота, так что переходим ко второй части. Сейчас мы боролись с выходной ёмкостью, но есть ещё входная ёмкость, и для неё так же существуют стандартные схемотехнические методы. Почему бы, например, не включить на вход конденсатор, чтобы он быстрее заряжал ёмкость светодиода.

Как видите, для нарастающего фронта это оказалось серебряной пулей. Теперь надо разогнать спадающий фронт, и здесь возникает проблема. У нас ведь однополярное питание, а для разряда светодиода нужно отрицательное напряжение. Поэтому следующим шагом будет схема со сдвигом уровня (не знаю, есть ли тут общепринятое название). Ставим на выходе компаратор, который сравнивает ток через оптрон. Его можно собрать из пары токовых зеркал, подобный входной каскад повсеместно ставится в ОУ и компараторах.

Пары транзисторов продаются в одном корпусе, так что должно получиться довольно компактно. Вторая серебряная пуля готова, однако можно заметить, что спадающий фронт немного отстаёт. И наконец мы пришли к золоту: вместо самодельного компаратора ставим промышленный. Вот они, фронты 10 нс.

Можно поднять входную частоту до 100 МГц и посмотреть, что там в итоге получилось.

В принципе неплохо, можно в продакшен, правда здесь возникает другая проблема - такие компараторы дорогие.

P.S.: в последней схеме с трудом подобрал номиналы, так что не надейтесь, что она у вас заработает на заявленной частоте.

Схемы моделировались в LTspice.

2. Оптроны и оптоэлектронные микросхемы. Введение в оптоэлектронику

2.1. Устройство и основные параметры оптронов

2.1.1. Схема оптрона

2.1.2. Элементы оптопары

2.1.3. Параметры, характеризующие работу оптронов

2.2. Типы оптронов

2.2.1. Резисторные оптопары

2.2.2. Диодные оптопары

2.2.3. Транзисторные оптопары

2.2.4. Тиристорные оптопары

2.2.5. Параметры оптронов различного типа

2.2.6. Оптоэлектронные микросхемы

2.3. Применение оптронов

2.3.1. Применение оптронов в цифровых и линейных схемах

2.3.2. Управление процессами в высоковольтных цепях

2.3.3. Использование оптронов для получения информации оптическим методом

2.3.4. Другие применения оптронов

2.1. Устройство и основные параметры оптронов

2.1.1. Схема оптрона

Оптрон — это прибор, содержащий источник и приемник излучения, которые оптически и конструктивно связаны друг с другом. Источниками света могут служить лампы накаливания, неоновые лампы, электролюминесцентные панели, однако в большинстве случаев ими являются светодиоды. В качестве приемника излучения используют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Средой оптического канала, связывающего излучатель и приемник, могут служить воздух, стекло, пластмасса и другие прозрачные вещества.

Элементарный оптрон, содержащий один источник и один приемник излучения, называют также оптопарой. Будучи объединенными в микросхему вместе с одним или несколькими согласующими или усиливающими устройствами, оптопары образуют оптоэлектронную интегральную микросхему.

В оптронах происходит двойное преобразование энергии (рис. 2.1). Входной электрический сигнал (характеризующийся

силой тока I1 или напряжением U1) преобразуется источником излучения 1 в световой (поток света Ф1), который передается затем по оптическому каналу 2 к фотоприемнику 3. Фотоприемник осуществляет обратное превращение светового сигнала в электрический I2, U2. Среда оптического канала может быть управляемой (например обладать электрооптическими свойствами), что отражено и рис. 2.1 введением в схему устройства управления 4, которое преобразует световой поток Ф1 в поток Ф2. Для согласования параметров оптронов с другими элементами электронных схем могут использоваться дополнительные входные и выходные устройства.

На рис. 2.1 фотоприемник и излучатель электрически не соединены друг с другом. Такие оптроны с успехом могут использоваться в качестве элементов гальванической развязки. Однако введение электрической, а также оптической обратной связи между компонентами оптрона способно существенно расширить его возможности. В этом случае он может быть использован как прибор, позволяющий генерировать и усиливать электрические и оптические сигналы, как запоминающее устройство и т. д.

Помимо уже указанных достоинств оптрон характеризуется:

  • высокой помехозащищенностью (поскольку его оптический канал невосприимчив к воздействию посторонних электромагнитных полей), а также однонаправленностью передачи оптического сигнала;
  • широкой частотной полосой пропускания и, в частности, способностью преобразовывать и передавать не только импульсные сигналы, но и постоянную составляющую;
  • совместимостью с другими изделиями полупроводниковой микроэлектроники.

Среди недостатков, присущих современным оптронам, необходимо прежде всего отметить их низкий к. п. д., что связано с большими потерями энергии при преобразовании электрического сигнала в оптический и обратно. Так же как и у других полупроводниковых приборов, параметры оптронов чувствительны к изменению температуры. От температуры в частности, сильно зависит срок службы таких устройств, который и так во многих случаях оказывается недостаточно высоким даже при комнатной температуре. К недостаткам нужно отнести также относительно высокий уровень собственных шумов и определенное конструкторско-технологическое несовершенство современных оптронов. Выпускаемые приборы изготовляют по гибридной технологии, при этом в одном устройстве необходимо довольно точно совмещать разнородные элементы—излучатель и фотоприемник.

Перечисленные недостатки ограничивают область применения оптронов, однако по мере совершенствования материале и технологии, решения ряда схемотехнических задач эти недостатки проявляются все в меньшей степени.

2.1.2. Элементы оптопары

Достижение высокого к. п. д. оптрона связано с получением высоких значений параметров, характеризующих преобразование и передачу энергии во всех его элементах. Желательно, чтобы параметры составных частей оптопары были согласованы по спектральным характеристикам, быстродействию, температурным свойствам, габаритам; при этом определенные требования предъявляются и на основе технологических соображений. В результате зачастую одно или несколько из вышеперечисленных требований приходится нарушать ради получения максимальных значений каких-либо определенных параметров.

Как уже отмечалось, источником излучения в оптронах в большинстве случаев служат инжекционные светодиоды. Помимо необходимости получения возможно больших к.п.д. преобразования электрической энергии в световую и высокого быстродействия светодиоды, применяемые в оптронах, должны обладать достаточно узкой направленностью излучения (для снижения потерь энергии на пути от источника света к фотоприемнику) и работать при сравнительно небольших входных токах (для согласования с микроэлектронными системами управления). Желательно также, чтобы квантовый выход таких излучателей был постоянным в по возможности более широком диапазоне входных токов, что важно для использования этих приборов в аналоговых схемах. В оптронах могут применяться также полупроводниковые лазеры . Этому препятствуют, однако, большие значения рабочих токов таких приборов, их сравнительно низкая долговечность и высокая стоимость.

Наиболее употребительными материалами для излучателей оптронов являются GaAs, GaAlAs, GaAsP. Светодиоды на основе этих материалов излучают в красной (0,67—0,7 мкм) и ближней инфракрасной (0,8-0,95 мкм) областях спектра. В отличие от обычных светодиодных индикаторов, для которых во многих случаях важно увеличение размеров высвечиваемых символов, излучающая область светодиодов, применяемых в оптронах, должна иметь минимальную площадь, так как при этом не только уменьшаются потери излучения, но и ослабляются требования к точности совмещения этой области с приемным окном фотоприемника. Номинальное напряжение возбуждения подобных светодиодов составляет 1,2—1,7 В, потребляемая ими мощность— 1—50 мВт.

Среду оптического канала выбирают, исходя из следующих соображений. Во-первых, она должна сводить к минимуму потери света, для чего материал оптического канала должен не только быть спектрально согласован с излучателем и фотоприемником, но и иметь показатель преломления, близкий к тем, которыми характеризуются эти элементы оптопары. Во-вторых, материал оптического канала должен обеспечивая высокий уровень электрической изоляции между входом и выходом оптрона (сопротивление изоляции оптопары обычно составляет ~ 1 • 1012 Ом). В-третьих, зачастую оптической среде приходится выполнять дополнительную функцию — служить основой, придающей оптрону конструктивную целостность и предохраняющей его элементы от механических, климатических и радиационных воздействий.

Используют по крайней мере три основных варианта оптического канала. В первом оптической средой служат полимерные оптические клеи, лаки, вязкие вещества (например, незасыхающие вазелиноподобные силиконовые составы), а также некоторые марки стекол (например, халькогенидные). Второй вариант оптического канала — воздушный, при этом для лучшей светопередачи могут использоваться фокусирующие системы на основе стеклянных линз. Третий вариант связан с использованием в качестве оптического канала волоконных световодов. Выбор варианта обусловливается требованиями, связанными с применением оптопары. Так, для получения высоких значений электрической изоляции, создания коротких линий оптической связи используют волоконные световоды, для устройств считывания информации с перфоленты требуется воздушный канал (перфоленту вводят в зазор между излучателем и фотоприемником) и т. д. Кроме того, необходимо учитывать, что многие из перечисленных материалов имеют свои недостатки. Так, полимеры характеризуются провалами спектра пропускания в ближней инфракрасной области (эти провалы обусловлены резонансным поглощением света химическими группами ОН, СН3, СН2, NH2, NH), а также изменением основных параметров со временем (что, естественно, сказывается на характеристиках всей оптопары в целом). Со своей стороны, стекла, применяемые в оптронах, менее устойчивы к резким перепадам температуры, имеют невысокую адгезию к материалам излучателя и фотоприемника.

Важнейшим достоинством оптронов является их способность осуществлять гальваническую развязку элементов электронной схемы. Оптроны, у которых в качестве оптического канала используют тонкие слои полимерных лаков или стекол обладают сравнительно невысокой электрической прочностью изоляции. Так называемое статическое напряжение изоляции Uиз (максимально допустимое постоянное напряжение между входом и выходом оптопары) у них составляет 100—500 В. У оптронов с воздушным зазором значение Uиз выше (до 1 — 5 кВ) и ограничивается уже электрической прочностью корпуса прибора; в оптронах с волоконными световодами максимально допустимое статическое напряжение изоляции может достигать 50—150 кВ.

К. п. д. оптрона, его срок службы, а также ряд других параметров в значительной степени определяются излучателем, и именно поэтому совершенствованию светодиодов уделяется большое внимание. В то же время оптрон как элемент электронной схемы характеризуется не столько излучателем, сколько типом используемого фотоприемника. С практической точки зрения важно, какие функции способен выполнять прибор, а это как раз и определяется фотоприемником, который, таким образом, должен обладать не только высокой эффективностью преобразования падающего на него излучения в электрический ток, но и требуемым быстродействием. В связи с этим различают оптопары резисторного, диодного, транзисторного и тиристорного типов.

Основным материалом фотоприемников для оптронов служит кремний, применяемый в диодных, транзисторных и тиристорных оптопарах. Так, кремниевый p-i-n-фотодиод по спектру и быстродействию хорошо согласуется со светодиодами на основе GaAs:Zn, GaAlAs, GaAsP, а кремниевые фототранзисторы и фототиристоры—с GaAlAs- и GaAs : Si-излучателями. В качестве материала фоторезисторов широко используют CdS и CdSe, хорошо согласующиеся по спектру с излучателями на основе GaP и GaAsP. Следует отметить, однако, что быстродействие фотоприемника зачастую ограничивает быстродействие всей оптопары в целом (это имеет место прежде всего в резисторных оптопарах).

2.1.3. Параметры, характеризующие работу оптронов

Элементарный оптрон является четырехполюсным прибором, свойства которого определяются прежде всего тремя основными характеристиками — входной, передаточной и выходной. Входной является вольт-амперная характеристика излучателя, а выходной—соответствующая характеристика фотоприемника (при заданном токе на входе оптопары).

Передаточной характеристикой называют зависимость тока I2 на выходе оптрона от тока I1 на его входе; в общем случае эта зависимость является нелинейной, что приводит к некоторому искажению формы передаваемого сигнала.

Суммарное быстродействие оптопары часто характеризуют временем переключения:

, (2.1)

где t1 и t 2 — соответственно времена нарастания и спада сигнала на выходе оптрона. Время переключения неодинаково у разных типов оптопар, оно зависит также от режимов их работы и может составлять от 10-9 до 10-1 с. Помимо времен переключения, быстродействие некоторых классов оптронов может быть задано граничной частотой fгр. В зависимости от типа оптрона fгр = 0,005… 10 МГц.

Параметром, тесно связанным с зависимостью I2(I1) и часто используемым на практике, является коэффициент передачи по току (статический)

. (2.2)

В общем случае, особенно при высоких температурах, когда существен темповой ток Iт на выходе фотоприемника,

. (2.3)

Для большинства типов оптопар kI является паспортный параметром, причем он может составлять от 0,5% (диодные; оптопары) до ~1000% (транзисторные оптопары с составным фототранзистором).

Важными для характеристики оптопары являются параметры ее изоляции. Среди этих параметров — максимально допустимое напряжение между входом и выходом (уже упоминавшееся в п. 2.1.2 статическое - Uиз, а также пиковое, максимально допустимое при работе с переменными сигналами). Кроме того, оптопары характеризуются сопротивлением изоляции Rиз и проходной емкостью Спр (емкостью между входом и выходом оптопары). У большинства типов оптопар Rиз может достигать 1·1012 Оm, что исключает обратную связь фотоприемника и излучателя по постоянному току. В то же время связь по переменному току может оказаться существенной. Действительно, скачок напряжения ΔU2 на выходе оптопары (за время Δt) может привести к тому, что через излучатель оптопары потечет емкостный ток

, (2.4)

который может привести к заметному сигналу на выходе даже при малой проходной емкости.

В связи с этим для многих типов оптопар актуальность) приобретает задача снижения Спр (обычно она порядка 1 пФ), решение которой может быть связано, например, с увеличением длины оптического канала между излучателем и фотоприемником.

Конструктивно-технологическое оформление оптронов (рис. 2.2, а) определяется требованиями по оптимизации тех или иных параметров этих приборов (1-излучатель, 2-фотоприемник, 3 — оптический канал, 4 — корпус, 5 — электрические выводы). Так, введение помимо полимерного клея стеклянной прокладки в пространство между излучателем и фотоприемником позволяет увеличить Rиз и снизить Спр до 0,01 пФ. Еще большего эффекта можно достичь, используя в качестве оптического канала волоконный световод (рис. 2.2, б). Приборы, изображенные на рис. 2.2, в, г, характеризуются повышенным значением коэффициента передачи по току: потери света в устройствах этого типа сведены к минимуму в первом случае вследствие того, что поток излучения падает на границу раздела элементов оптопары перпендикулярно, во втором — из-за введения в конструкцию дополнительной отражающей поверхности 6.

Исходя из значений Uиэ, Rиз, Спр, а также входной и выходной характеристик оптопары, для каждого типа оптронов задают предельные эксплуатационные данные о входных и выходных напряжениях и токах, напряжении между входом и выходом, указывают максимальную допустимую температуру и т. д. Все эти параметры, а также некоторые Другие обычно приводятся в справочниках.

Общей особенностью рассматриваемых оптронов является то, что они представляют собой не монолитные, а сборные конструкции, элементы которых связаны между собой общим корпусом, оптическим клеем и т. д. Дальнейшее совершенствование оптронов (снижение габаритов, повышение к. п. д., воспроизводимости параметров) связано в первую очередь с созданием монолитных приборов, у которых и излучатель, и фотоприемник либо созданы в одном кристалле, либо выращены на общей подложке с применением тонкопленочной технологии. Следует, однако, отметить, что у таких приборов первостепенную важность могут приобрести другие проблемы, например обеспечение высоких значений параметров изоляции.

2.2. Типы оптронов

2.2.1. Резисторные оптопары

В качестве фотоприемников оптопар этого типа используют фоторезисторы на основе CdS и CdSe. При засветке фоторезисторов их сопротивление снижается от RT (темнового) до RCE (при освещении). Одним из основных параметров резисторных оптопар является отношение этих сопротивлений; значение RТ/RCB может достигать 104–107.

Фоторезисторы обладают, как правило, большой инерционностью. Именно поэтому в фоторезисторных оптопарах в качестве источников излучения широко применяют миниатюрные лампы накаливания, к достоинствам которых следует отнести хорошую воспроизводимость параметров, большой срок службы, малую стоимость. Невысокое быстродействие (время переключения — порядка 1·10-2с) ламп накаливания в оптопарах этого типа не является их недостатком, поскольку общее время переключения (до 10-1 с) определяется фотоприемником. Кроме ламп накаливания в резисторных оптопарах используют светодиоды на основе GaP, спектр излучения которых хорошо согласован со спектрами возбуждения фотопроводимости CdS- и CdSe-фотоприемников.

Некоторые характеристики резисторных оптопар представлены на рис. 2.3. Увеличение тока I1 на входе оптрона сопровождается увеличением светового потока излучателя, в результате чего RCB снижается (рис. 2.3, а). Повышение температуры Т ведет к снижению подвижности свободных носителей заряда в фоторезисторе, увеличению Rсв, а следовательно, к спаду I2 при том же напряжении U2 на выходе (рис. 2.3,6). С ростом Т не только происходит увеличение RCB, но снижается и RT (растет концентрация собственных носителей заряда в зоне проводимости полупроводника). При этом отношение RТ/RCB очень сильно падает (при 70° С оно может составлять лишь примерно 1·102), что делает резисторную оптопару практически непригодной для использования при высоких температурах.

Инерционность резисторных оптопар сказывается на их частотных характеристиках, что иллюстрируется рис. 2.3,в. На рисунке по вертикали отложен коэффициент передачи по току, который в случае оптопар этого типа носит формальный характер, поскольку в выражение (2.2) для kI подставляется просто значение тока I2, соответствующее окончанию линейного участка вольт-амперной характеристики фоторезистора.

Достоинствами резисторных оптопар, определяющими их широкое применение в различных типах оптоэлектронных схем, являются линейность и симметричность выходной характеристики (независимость от полярности включения фоторезистора), отсутствие фото-э. д. с., высокие значения достижимого напряжения на выходе (до 250 В) и темнового сопротивления Rт≈1·106÷1·1011 Ом).

2.2.2. Диодные оптопары

Оптопары этого типа изготовляют на основе кремниевых p-i-n-фотодиодов и арсенидгаллиевых светодиодов.

На рис. 2.4 изображены типичные графики зависимостей коэффициента передачи по току kI от входного тока I1, напряжения на выходе U2 и температуры Т. Из рис. 2.4, а следует, что у диодных оптопар kI остается практически постоянным в широком диапазоне входных токов, что обусловлено постоянством в этом диапазоне квантового выхода ηк светодиода. Подъем в области малых и спад в области больших входных токов (когда начинает сказываться разогрев прибора) также определяется поведением ηк. Квантовый выход фотодиода η3 при этом, как правило, не меняется. Это следует, в частности, из рис. 1.5 и формулы (1-11) — зависимость фототока от падающего потока излучения линейна в рабочем диапазоне значений потоков.

Разогрев оптопары может привести и к снижению η3.

Оценим значение kI для диодной оптопары.

Поток излучения Ф1, испускаемого светодиодом, связан с входным током I1 соотношением

. (2.5)

(Здесь ηке — внешний квантовый выход светодиода). В то же время ток на выходе фотоприемника

(2.6)

где η3 — квантовый выход фотодиода, а Ф2— поток излучения, падающий на фотодиод.

Из соотношений (2.5) и (2.6) получаем, что

(2.7)

где = Ф21 — коэффициент, учитывающий потери излучения на пути от светодиода к фотоприемнику.

Полагая, что η3≈1 (т.е. каждый фотон, достигнувший фотоприемника, генерирует носитель фототока; это хорошо выполняется, например, в случае p-i-n-фотодиодов), получаем:

kI ≈ ηкеk/.

В идеальном случае, когда потерь света почти не происходит, можно считать, что kI≈ηке, однако зачастую коэффициент k' оказывается заметно меньше единицы. Учитывая, что у реальных светодиодов ηке≈10%, получаем, что для диодных оптопар коэффициент kI вряд ли может превышать нескольких процентов.

Помимо зависимости kI (I1) на рис. 2.4 представлены еще две. Так, на рис. 2.4,б изображена зависимость коэффициента передачи по току диодных оптопар от обратного напряжения на выходе прибора— она довольно слаба. Температурная же зависимость kI диодных оптронов выражена более ярко (рис. 2.4, в), что объясняется зависимостью от Т параметров всех элементов оптопары и в первую очередь—излучателя.

В целом, поскольку у современных диодных оптронов значение коэффициента передачи по току составляет единицы процентов, это означает, что на выходе таких оптопар практически можно получать лишь токи, не превышающие одного-двух миллиампер.

Предельно достижимое время переключения tп диодных оптопар может меняться в довольно широких пределах (0,1 — 10 мкс) в зависимости от марки прибора. Но на практике получить подобное быстродействие довольно трудно, так как из-за малости выходного тока их приходится включать на большую нагрузку. В этом случае существенным оказывается уже время перезарядки, определяемое сопротивлением нагрузки Rн и выходной емкостью оптопары С2. Так, при Rн =(2÷20) кОм и С2 = 50 пФ постоянная времени перезарядки равна 0,1—1 мкс, что сравнимо по величине с предельными значениями tп.

Диодные оптопары могут работать в вентильном режиме, когда оптрон выступает в качестве источника питания. Оптроны, предназначенные для этих целей, имеют повышенное (3–4%) значение kI, однако к. п. д. таких приборов также составляет лишь около одного процента.

Среди выпускаемых диодных оптопар можно выделить, наконец, группу приборов, оптический канал которых выполнен в виде световода длиной 30—100мм. Эти приборы характеризуются высокой электрической прочностью (Uиз = 20≈50 кВ) и малой проходной емкостью пр=0,01 пФ).

2.2.3. Транзисторные оптопары

К этому классу приборов относятся диодно-транзисторные (приемником излучения является фотодиод, один из выводов которого соединен с базой транзистора, введенного в состав оптрона) и транзисторные (приемником излучения служит фототранзистор) оптопары, а также оптроны с составным фототранзистором. Их параметры существенно отличаются друг от друга. Так, оптопары с составным фототранзистором обладают наилучшими передаточными характеристиками по току (в результате внутреннего усиления сигнала kI может достигать 1000%), зато диодно-транзисторные имеют большее быстродействие (tп = 2÷4 мкс). При этом оказывается, что для оптопар перечисленных типов отношение остается постоянным в широком интервале значений входных токов. Параметр D называют добротностью оптрона, его значение зависит от параметров изоляции (в частности, от Uиз). Для транзисторных оптронов Uиз = 1÷5 кВ, D= 0,1÷1% мкс-1.

(2.8)

Так же как и в случае диодных оптопар, материалом фотоприемников чаще всего является кремний; излучателями в таких приборах служат арсенид-галлиевые светодиоды.

Транзисторные оптопары привлекают внимание возможностью управления коллекторным током как оптическими методами, так и электрическими. Эти приборы позволяют получать высокие значения коэффициента передачи по току и соответственно большие I2 (чем они выгодно отличаются от диодных оптопар) при удовлетворительном быстродействии.

На рис. 2.5 приведены типичные зависимости kI от входного тока для транзисторной (кривая 3), диодно-транзисторной (кривая 1) оптопар, а также для оптопары с составным фототранзистором (кривая 2). Сравнение этого рисунка с рис. 2.4, а показывает, что характеристики таких оптопар сильно отличаются от полученных для диодного оптрона. Это связано с тем, что коэффициент усиления транзистора зависит от тока базы и потому не является постоянной величиной.

Температурные зависимости kI транзисторного оптрона при больших (кривая 1) и малых (кривая 2) входных токах представлены на рис. 2.6. Видно, что при больших I1 коэффициент передачи по току с изменением температуры ведете себя примерно так же, как и в случае диодных оптопар (см. рис. 2.4,6). В общем случае характер кривых kI (T) определяется зависимостями от температуры квантового выхода как светодиода, так и фототранзистора.

Особенностью всех оптопар с излучателями-светодиодами является уменьшение t1 и увеличение t2 с ростом входного тока. Именно поэтому соответствующие характеристики транзисторных и диодных оптопар оказываются сходными.

Повышение температуры приводит к возрастанию инерционности транзисторных оптопар. Одновременно увеличивается и темновой ток фотоприемника. Это особенно сильно сказывается в случае оптопар с составными фототранзисторами: при увеличении температуры от 25 до 100 °С их темновой ток возрастает в 104—105 раз (у обычных транзисторных оптопар это изменение лежит в пределах 102-—103).

2.2.4. Тиристорные оптопары

Тиристорные оптопары используют в качестве ключей для коммутации сильнотоковых и высоковольтных цепей как радиоэлектронного (U2 = 50÷600 В, I2 = 0,1-10 А), так и электротехнического (U2= 100÷300 В, I2 = 6,3÷320 А) назначения. Важным достоинством этих приборов является то, что, управляя значительными мощностями в нагрузке, они тем не менее по входу совместимы с интегральными микросхемами.

В зависимости от гарантируемых значений коммутируемых напряжений и токов, а также от времени переключения тиристорные оптопары подразделяются на большое число групп. В целом типичные значения t1 составляют 10—30 мс, t2 = 30÷250 мкс.

Поскольку тиристорные оптопары работают в ключевом режиме, то параметр kI для них лишен смысла. Поэтому удобнее характеризовать такие оптопары номинальным значением I1 при котором открывается фототиристор, а также — максимально допустимым входным током помехи (максимальным значением I1, при котором еще не происходит включение фототиристора). Значение силы номинального входного тока для разных типов тиристорных оптопар лежит в пределах 20—200 мА, максимально допустимый ток помехи для оптопары АОУ 103, например, равен 0,5 мА.

2.2.5. Параметры оптронов различного типа

Ниже приводится краткая сводная таблица основных характеристик некоторых элементарных оптронов (табл. 2.1). В обозначениях отечественных оптронов первая буква (или цифра) определяет материал излучателя (А или 3 — GaAlAs или GaAs), вторая буква (О) указывает на принадлежность прибора к классу оптопар, а третья отражает тип фотоприемника (Д—фотодиод, Т—фототранзистор, У — фототиристор). Резисторные оптопары (исторически первый тип оптопар) сохраняют свое первоначальное обозначение ОЭП (оптоэлектронный прибор). Некоторые из оптронов могут иметь обозначения, отличающиеся от тех, которые указаны выше (например, К249КП1—оптоэлектронный ключ, состоящий из излучающего диода на основе арсенид-галлий-алюминия и кремниевого фототранзистора, в который входят две транзисторные оптопары).

Кроме рассмотренных в настоящей главе типов оптопар следует упомянуть также о некоторых других видах оптронов. К ним можно отнести приборы, у которых в качестве фотоприемников используют МДП-фотоварикапы и полевые фототранзисторы, дифференциальные оптроны (один излучатель в которых работает на два идентичных фотоприемника),

а также оптопары, у которых источником излучения является полупроводниковый лазер (например, на основе GaAlAs или GalnAsP).

Таблица 2.1. Обозначения и значения основных параметров различных оптронов

Типы оптронов

Обозначения и параметры

Резисторные

Диодные

Транзисторные

Тиристорные

диодно-транзисторные

транзисторные общего назначения

с составным фототранзистором

Схемное обозначение

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Буквенный элемент обозначения

ОЭП

АОД

АОД, КОЛ

АОТ

АОТ

АОУ, ТО

Коэффициент передачи по току kI, %

1 – 4

0,5 – 3,5

10 – 40

30 – 100

200 – 800

Граничная частота fгр, МГц

0,005 – 0,01

1 – 10

0,01 – 0,5

0,01 – 0,5

0,001 – 0,01

Время, мкс: включения t1

1·103–1·105

0,1–1

1–2

4–10

10–100

10–30

выключения t2

1·103–1·105

0,1–1

1–2

4–30

10–100

30–250

Параметры входной цепи:            

I1, мА

5–20

10–40

5–20

10–40

1–30

10–800

U1, В

2–6

1,1–1,8

1–2

1–2

1–5

1–3

Параметры выходной цепи:            

I2, мА

0,2–7

0,1–1,5

5–30

5–50

100–200

(0,1–320)х103

U2, В

5–250

1–100

5–30

5–30

5–30

50–1300

Сопротивление изоляции Rиз, Ом

1·109

1·109–1010

1010

5·108

1·109

5·108

2.2.6. Оптоэлектронные микросхемы

Приборы этого типа содержат одну или несколько оптопар, а также согласующие элементы или электронные интегральные схемы, объединенные при помощи гибридной технологии в один корпус. Оптоэлектронные микросхемы обладают более широкими возможностями, чем элементарные оптроны. Их можно разделить на три основные группы.

К первой относятся переключательные микросхемы; эта группа наиболее многочисленна. Примером прибора этого типа может служить микросхема серии 249ЛП1 (рис. 2.7, а), в который объединены диодный оптрон и стандартная интегральная схема, имеющая два статических состояния, при одном из которых напряжение на ее выходе равно примерно 0,3 В, а при другом — около 3 В.

Во вторую группу объединены линейные, оптоэлектронные микросхемы, которые способны выполнять аналоговые преобразования сигналов. В качестве примера можно привести микросхему серии К249КН1, линейную по выходной цепи, которая состоит из двух диодных оптронов, работающих в режиме фотоэлементов и выполняющих функции широкополосного (вплоть до передачи постоянного сигнала) трансформатора (рис. 2.7,6).

К третьей группе относятся оптоэлектронные микросхемы релейного типа, использующиеся для коммутации силовых цепей в широком диапазоне напряжений и токов. По входным параметрам эти приборы согласованы со стандартными интегральными микросхемами; в качестве примера можно назвать оптоэлектронное реле постоянного тока серии К295КТ1.

Помимо микросхем перечисленных трех групп существуют и более сложные. К ним относятся, например, фоточувствительные приборы с зарядовой связью, многоустойчивые элементы— сканисторы и т.д.

Так же как и элементарные оптроны, оптоэлектронные микросхемы обладают тем недостатком, что их приходится изготовлять по гибридной технологии, объединяя элементы из разных материалов. По мере совершенствования способов получения этих элементов открываются перспективы создания оптоэлектронных микросхем на одном кристалле, а также пленочных. Это должно привести не только к дальнейшей миниатюризации таких приборов, но и к расширению их функциональных возможностей.

2.3. Применение оптронов

2.3.1. Применение оптронов в цифровых и линейных схемах

Использование оптронов (прежде всего—диодных и транзисторных) в цифровых и импульсных устройствах связано с возможностью их быстрого переключения из состояния с низким уровнем сигнала на выходе в состояние с высоким уровнем, или наоборот. В качестве примера можно привести оптоэлектронные элементы, позволяющие реализовать основные логические функции в устройствах цифровых систем. Так, схема, представленная на рис. 2.8, а, моделирует операцию логического умножения (И), а схема на рис. 2.3,б — операцию логического сложения (ИЛИ). В первом случае выходное напряжение U2 поддерживается на высоком уровне, близком к напряжению U1, только если оба фототранзистора ФТ1 л ФТ2 включены и через них идет ток, близкий к насыщению (см. рис. 1.10,б), а во втором — при выходе на насыщение вольт-амперной характеристики любого из фототранзисторов ФТ1 или ФТ2. Оптроны могут также с успехом применяться для моделирования и других логических операций.

Еще одним примером использования оптронов в цифровых устройствах может служить оптоэлектронная микросхема серии 249ЛП1 (см. рис. 2.7,а). При протекании по цепи арсенид-галлиевого светодиода номинального входного тока в цепи фотоприемника (кремниевого фотодиода) возникает фототок, одновременно являющийся базовым для транзистора Т1; этот ток достаточен для отпирания транзистора. Эмиттерный ток транзистора Т1 поступает в базу транзистора ТЗ и переводит его в режим насыщения. При этом напряжение на выходе микросхемы оказывается равным падению напряжения на насыщенном транзисторе (примерно 0,3 В). Если же входной ток оптрона меньше номинального, то через его фотоприемник течет лишь малый темновой ток и транзистор Т1 остается запертым. В этом случае через резистор R1 течет базовый ток транзистора Т2, причем его значение таково, что Т2 находится в режиме насыщения. В результате напряжение на выходе оптопары является разностью напряжения Е1, базового напряжения транзистора Т2 и напряжения на диоде Д1; для микросхемы такого типа это 2,5—3,5 В.

Одним из важных параметров, по которым оптроны могут уступать однотипным устройствам (диодам, триодам, микросхемам) без оптических связей, является быстродействие, определяемое главным образом барьерными емкостями источника излучения и фотоприемника. Проигрыш в быстродействии может быть еще выше, если не принимать специальных мер по согласованию режимов работы элементов оптопары. Так, для снижения влияния времени перезарядки барьерной емкости светодиода (20—300 пФ) перезарядку приходится форсировать, например, подавая на вход светодиода ток достаточно большой амплитуды. Уменьшения времени перезарядки выходной емкости фотоприемника (5—15 пФ) можно добиться, изолируя или компенсируя емкостную нагрузку, а также уменьшая амплитуду напряжения выходного сигнала. Оптимизируя конструкцию и режим работы оптопар, время переключения удается заметно снизить, доведя его (для некоторых типов оптопар) до нескольких наносекунд.

К областям применения аналоговых оптронов можно отнести использование их в широкополосных трансформаторных устройствах, в усилителях различных сигналов, в других системах аналогового преобразования. Схема простого усилителя на основе оптрона, обеспечивающего электрическую развязку от остальной части схемы, изображена на рис. 2.9. Входной сигнал, подаваемый на вход оптрона, после преобразования в излучение попадает на базу фототранзистора, осуществляя тем самым управление амплитудой тока на выходе оптопары и напряжением на сопротивлении нагрузки R. Коэффициент усиления всего устройства определяется значением kI используемого транзисторного оптрона.

В аналоговых устройствах используют диодные и резисторные, а также (в некоторых случаях) транзисторные оптопары. Требования к аналоговым оптронам определяются конкретными условиями их применения и поэтому общего критерия качества, подобного тому, который имеет место в случае цифровых оптронов (добротности), для них нет. В то же время для сохранения формы передаваемого сигнала желательна линейность передаточной характеристики (постоянство kI в достаточно широком диапазоне токов). Этому требованию в наибольшей мере отвечают диодные оптроны, хотя и у них интервал значений I1, при которых kI постоянен, не слишком велик. Так, например, у оптопары АОД 101 даже при ее термостатировании передача аналогового сигнала с нелинейностью менее 2% осуществляется лишь при двух-трехкратном изменении I1.

Сказанное означает, что при проектировании аналоговых устройств, использующих оптроны, необходимо предусматривать дополнительные меры по линеаризации передаточной характеристики. В этой связи перспективным является применение дифференциальных оптронов (с одним излучателем и двумя фотоприемниками), у которых коэффициенты передачи по току между излучателем и первым фотоприемником, а также между излучателем и вторым фотоприемником одинаковы, причем в равной мере меняются в зависимости от условий работы (Т, I1, U1). Фотоприемники включены таким образом, чтобы при подаче сигнала входной ток одного из них увеличивался, а другого в той же мере уменьшался. Увеличение kI первого канала оптрона примерно компенсируется уменьшением kI второго, а общая передаточная характеристика оптопары выравнивается.

2.3.2. Управление процессами в высоковольтных цепях

Для бесконтактного управления процессами в высоковольтных (до 1300 В) и сильнотоковых (до 320 А) цепях используют мощные ключевые оптроны, типичными представителями которых являются тиристорные и транзисторные оптопары. По своим техническим показателям оптоэлектронные переключатели успешно конкурируют с электромагнитными реле и герконами (герметизированными переключателями), превосходя их по надежности, долговечности и помехоустойчивости.

Пример схемного варианта высоковольтного оптоэлектронного ключа, в котором тиристорный оптрон, переключающий ток в цепи с постоянным напряжением, управляется сразу по двум каналам—оптическому и электрическому, приведен на рис. 2.10. Если входной транзистор Т1 открыт и работает в режиме насыщения, то на выходе усилителя у поддерживается высокий потенциал и ток течет лишь через излучатель тиристорной оптопары — фототиристор включен. Для его выключения транзистор Т1 запирается, в результате чего, во-первых, снижается напряжение на светодиоде тиристорной оптопары, и он перестает излучать свет, и, во-вторых, на шину нулевого потенциала закорачивается управляющий электрод фототиристора. Закорачивание обусловлено тем, что после снижения напряжения на выходе усилителя—инвертора у светодиод транзисторной оптопары открывается и через фотоприемник начинает течь ток, переводящий транзистор Т2 в режим насыщения. Подобная схема может управлять током в цепи постоянного напряжения 50—400 В, причем длительность переключения фототиристора составляет 5—10 мкс.

Обобщенным параметром, характеризующим качество ключевых оптронов, является отношение максимальной мощности коммутируемой цепи к входной мощности, необходимой для управления. Это отношение носит название коммутационной добротности и для современных оптронов составляет примерно 102—106.

Для управления цепями высокого напряжения могут применяться и оптопары других типов. Так, в схемах управления электролюминесцентными индикаторами, возбуждающимися переменным напряжением с амплитудой 115— 300 В, используют резисторные оптроны. В цепь питания индикатора включают фоторезистор оптопары; изменение напряжения на индикаторе (а следовательно, и яркость его свечения) регулируют малым сигналом на входе оптрона.

В высоковольтных цепях находят широкое применение оптоизоляторы — оптопары с высоким допустимым напряжением изоляции (и, в частности, с волоконно-оптическими каналами). Использование оптронов этого типа в системах энергораспределения, высоковольтных СВЧ-устройствах, аппаратуре привода, в линиях электропередачи позволяет не только с успехом заменять традиционно использующиеся элементы, но и стимулирует дальнейшее совершенствование вновь разрабатываемых для этих целей приборов.

2.3.3. Использование оптронов для получения информации оптическим методом

Специальные оптроны с открытым оптическим каналов могут применяться в бесконтактной дистанционной технике в качестве индикаторов положения объектов и состояния их поверхности, датчиков заполнения сосудов жидкостью, устройств считывания информации с перфоносителей на входе ЭВМ и т. д. Существуют два типа подобных оптронов. Приборы первого типа (оптопрерыватели) реагируют на попадание в оптический канал непрозрачного предмета, который прерывает (или изменяет) световой поток, падающий на фотоприемник. Область применения оптопрерывателей — индикация положения и счет объектов, сигнализация об изменении параметров воздушной среды между излучателем и фотоприемником (например, при появлении дыма), считывание информации с перфолент и др. Приборы второго типа (отражательные оптроны) регистрируют световой поток, отраженный от исследуемой поверхности. Эти приборы позволяют, например, осуществлять автоматический контроль шероховатости поверхности, ее дефектности.

Из-за наличия воздушного зазора в оптическом канале коэффициент передачи по току таких оптронов мал, причем у отражательных оптронов он еще зависит и от свойств исследуемой поверхности, а также от расстояния до нее. Реально это расстояние не должно превышать нескольких миллиметров.

Пример схемы, в которой используется отражательный оптрон с открытым оптическим каналом, приведен на рис. 2.11. На этой схеме 1—генератор импульсного сигнала, подаваемого на светодиод 3 оптопары, 6—устройство, регистрирующее сигнал с фототранзистора, 4, 2 и 5—усилители входного и выходного сигналов. При изменении интенсивности отраженного от исследуемой поверхности светового потока меняется ток фотоприемника, что фиксируется регистрирующим устройством.

Среди трудностей схемной реализации подобных устройств следует назвать необходимость устранения влияния посторонней внешней засветки и обеспечения точной пространственной ориентации излучателя и фотоприемника. Положение во многом облегчается, если применить оптроны, у которых в качестве оптического канала используют волоконные световоды. Одним концом световоды пристыкованы к излучателю или фотоприемнику; срезы их других концов ориентированы таким образом, чтобы они могли служить чувствительным элементом схемы. Оптоэлектронные зонды этого типа могут использоваться, например, для исследования профиля поверхности, причем применение световодов малого диаметра позволяет регистрировать довольно «тонкие» изменения ее рельефа.

2.3.4. Другие применения оптронов

Как уже отмечалось в 2.2.2, диодные оптроны способны работать в режиме фотоэлементов, выступая в качестве изолированных источников э. д. с. и тока. Полное отсутствие гальванической связи с внешним источником питания дает возможность создавать устройства, обладающие высокой помехозащищенностью. Значение получаемой на выходе оптрона разности потенциалов составляет 0,3—0,4 В, однако батарейное соединение таких оптронов позволяет создавать маломощные источники питания с напряжением до 5 В и током 0,5—50 мА. К сожалению, к. п. д. оптрона, работающего в режиме фотоэлемента, не превышает 1%, хотя в некоторых случаях он может достигать 10—15%.

Введение положительной обратной связи между элементами оптопары позволяет получить устройства, обладающие S-образной вольт-амперной характеристикой. Подобные устройства называют регенеративными оптронами; вариант одной из возможных схем и ее вольт-амперная характеристика приведены на рис. 2.12. При малом напряжении на входе оптрона (рис. 2.12, а) и транзистор Т1, и сама оптопара заперты. После повышения входного напряжения до уровня, достаточного для открывания Т1, его коллекторный ток резко увеличивается, возбуждается излучатель оптопары. Возникающий при этом фототек приемника, в свою очередь, способствует еще большему отпиранию транзистора Т1; этот процесс приводит к возникновению на вольт-амперной характеристике всего устройства участка с отрицательной крутизной (рис. 2.12,б). Таким образом, регенеративные оптроны являются бистабилъными элементами (данному U1 соответствуют два значения I2) и поэтому пригодны для использования в качестве переключателей, усилителей, генераторов оптических и электрических колебаний.

В заключение следует упомянуть о приборах, в которых преобразование энергии происходит по схеме излучение — электрический сигнал — излучение. Примером подобного устройства может служить прибор, схема которого изображена на рис. 2.13.

Поток излучения Ф1, попадая через стеклянную подложку 1 и прозрачный электрод 2 на слой фотопроводника 3 (например, CdS), вызывает изменение его сопротивления, в результате чего происходит перераспределение напряжения, подаваемого на прозрачные электроды 2 и 6, между освещенным участком фотопроводника и прилегающей к нему областью слоя ZnS — электролюминофора 5. Повышение напряжения на люминофорном слое сопровождается возрастанием яркости его свечения; возникающий при этом поток излучения Ф2 выходит сквозь стеклянную пластину 7. Для предотвращения оптической связи между слоями фотопроводника и электролюминофора в устройстве предусмотрен еще один непрозрачный слой 4. Амплитуда управляющего напряжения, яркость, контраст и цвет получаемого изображения зависят от химического состава люминофора и фотопроводника, от толщины их слоев. Подобные структуры могут быть использованы в качестве усилителей и преобразователей изображения (с их помощью можно, например, реализовать устройство, превращающее негатив в позитив, и наоборот), преобразователей инфракрасного излучения в видимое, когерентного— в некогерентное. Особый интерес вызывает применение для этих целей тонкопленочных устройств, обладающих большой яркостью, повышенной крутизной вольт-яркостной характеристики, хорошей разрешающей способностью.

Приведенные примеры далеко не исчерпывают круг приборов, в которых используют оптроны, оптоэлектронные микросхемы и устройства. По мере совершенствования параметров оптронов этот круг все более расширяется.

Фотодиод, фототранзистор, фототиристор, оптрон: определения, разновидности, характеристики

Фотодиод определение

Рассмотрим устройства, основные физические процессы, характеристики и параметры фотодиода.

Устройство и основные физические процессы.

Изобразим упрощенную структуру фотодиода (рис. 1.126, а) и его условное графическое обозначение (рис. 1.126, б).

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Электрическое поле p-n-перехода разделяет электроны и дырки. Неосновные носители электричества, для которых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем в своей области проводимости.

Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения u ак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем в соответствии со сделан­ным замечанием о разделении электронов и дырок  u ак > 0 (дырки переходят к аноду, а электроны — к катоду).

Характеристики и параметры фотодиодов

Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк).

Обратимся к вольт-амперным характеристикам (ВАХ) фотодиода (рис. 1.127).

Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n-перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n-перехода носители электрода движутся к электродам (дырки — к электроду слоя p, электроны — к электроду слоя n ).

В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Режим фотогенератора имеет место при u > 0 и i

Режим фотопреобразователя соответствует соотношениям u < 0 и i < 0 (третий квадрант). В этом режиме фотодиод потребляет энергию ( u · i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 1.128).

Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображают в первом квадранте (рис. 1.129).

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 10— 1010 Гц. Фотодиод часто используется в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки). Изобразим соответствующие току светодиода 20 мА характеристики фотодиода, входящего в оптопару АОД112А-1 (рис. 1.130, а).

При этом ток  i и напряжение  u фотодиода соответствуют обычным для диодов условно-положительным направлениям (рис. 1.130,6).

Определение фототранзистор и фототиристор

Выходные характеристики фототранзистора подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но теперь положение характеристик определяется не током базы, а уровнем освещенности (или величиной светового потока).

Свойства фототиристора подобны свойствам обычного тиристора, однако с той лишь особенностью, что включение тиристора осуществляется не с помощью импульса тока управления, а с помощью светового импульса.

Определение оптрон (оптопара)

Оптрон — полупроводниковый прибор, содержащий источник излучения и приемник излучения, объединенные в одном корпусе и связанные между собой оптически, электрически или одновременно обеими связями. Очень широко распространены оптроны, у которых в качестве приемника излучения используются фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор.

В резисторных оптронах выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 107 … 108раз. Кроме того, вольт-амперная характеристика фоторезистора отличается высокой линейностью и симметричностью, что и обусловливает широкую применимость резисторных оптопар в аналоговых устройствах. Недостатком резисторных оптронов является низкое быстродействие — 0,01 … 1 с.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

В цепях передачи цифровых информационных сигналов применяются главным образом диодные и транзисторные оптроны, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей — тиристорные оптроны. Быстродействие тиристорных и транзисторных оптронов характеризуется временем переключения, которое часто лежит в диапазоне 5...50 мкс. Для некоторых оптронов это время меньше.

Рассмотрим несколько подробнее оптопару светодиод-фотодиод. Дадим условное графическое обозначение этой оптопары (рис. 1.131, а).

Напомним, что излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод — в прямом (режим фотогенератора) или в обратном направлении (режим фотопреобразователя).

Воспользуемся общепринятым выбором условно-положительных направлений для токов и напряжений диодов оптопары (рис. 1.131,6).

Изобразим зависимость тока iвых от тока iвx при u вых = 0 для оптопары АОД107А (рис. 1.132).

Указанная оптопара предназначена для работы как в фотогенераторном, так и в фотопреобразовательном режиме.

Разновидности индикаторов

К основным типам индикаторов относятся:

  • полупроводниковые индикаторы (ППИ),
  • вакуумные люминесцентные индикаторы (ВЛИ),
  • газоразрядные индикаторы (ГРИ)
  • жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ).

 

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Рассмотрим наиболее широко используемые разновидности операционных усилителей, для питания которых применяются два источника напряжения (обычно +15 В и −15 В). По-другому это называют питанием от источника с нулевым выводом или от расщепленного источника ±15 В.

Простейшими ППИ являются светодиоды. Помимо них выпускаются цифровые и буквенно-цифровые, одно- и многоразрядные, шкальные и матричные ППИ. Они характеризуются высокой яркостью, большим сроком службы, низким рабочим напряжением, имеют малую инерционность и очень стойки к механическим воздействиям.

ВЛИ представляют собой вакуумный триод, содержащий прямонакальный катод, сетку и несколько анодов, покрытых люминофором и расположенных в одной плоскости. При подаче напряжения накала катод испускает электроны, которые под действием электрических полей сетки и анодов устремляются к анодам, и люминофор анодов начинает светиться.

Индикаторы этого типа обладают большой яркостью и долговечностью, незначительной потребляемой мощностью и хорошо сопрягаются с микросхемами на МДП-структурах.

Газоразрядные индикаторы до появления ВЛИ и ППИ были основными приборами техники индикации. И сейчас они широко применяются из-за высокой яркости, малой потребляемой мощности и высокого быстродействия. Но значительные рабочие напряжения (сотни вольт) не позволяют подключить ГРИ непосредственно к микросхемам.

Практически все ГРИ представляют собой газоразрядные диоды, содержащие один или несколько катодов и анод. При увеличении разности потенциалов между анодом и некоторым катодом ток через такой диод резко возрастает, а газ начинает светиться.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

ЖКИ имеют небольшие размеры, питаются от источника с низким напряжением, потребляют очень малую мощность (не более 100 мкВт) и обеспечивают хорошую четкость знаков при самом различном наружном освещении.

Поясним подробнее, что же такое жидкие кристаллы. Среди большого количества различных веществ, находящихся в жидком состоянии, значительная часть состоит из молекул, имеющих форму нити. Под воздействием электрического поля и в определенном диапазоне температур (10 … 55°С) в таких веществах возникает специфический эффект динамического рассеивания, в результате которого их коэффициент преломления (как для проходящего, так и для отраженного света) изменяется, и жидкость, непрозрачная в нормальном состоянии, начинает пропускать свет (она оказывается подобной твердому кристаллу).

Таким образом, сами жидкокристаллические индикаторы света не излучают. Для них необходимы источники постороннего света той или иной длины волны.

6.2.   Применение оптопар | Электротехника

Оптопары позволяют решать те же задачи, что и отдельно взятые пары излучатель – фотоприемник, однако на практике они, как правило, более удобны, поскольку в них уже опти­мально подобраны характеристики излучателя и фотоприемника и их взаимное расположение.

Если говорить о наиболее очевидном применении оптопары, не имеющем аналогов среди других приборов, так это элемент гальванической развязки. Опто­пары (или, как их иногда называют, оптроны) применяют в качестве устройств связи между блоками аппаратуры, находящимися под различными потенциала­ми, для сопряжения микросхем, имеющих различные значения логических уров­ней. В этих случаях оптопара передает информацию между блоками, не имею­щими электрической связи, и самостоятельной функциональной нагрузки не несет.

Не менее интересно применение оптопар в качестве элементов оптического бесконтактного управления сильноточными и высоковольтными устройствами.

На оптопарах удобно строить узлы запуска мощных тиратронов, распредели­тельных и релейных устройств, устройств коммутации электропитания и т.п.

Оптопары с открытым оптическим каналом упрощают решение задач конт­роля параметров различных сред, позволяют создавать различные датчики (влажности, уровня и цвета жидкости, концентрации пыли и т.п.).

Одной из важнейших является линейная схема, пред­назначенная для неискаженной передачи по гальваниче­ски развязанной цепи аналоговых сигналов. Сложность этой проблемы связана с тем, что для линеаризации передаточной характеристики в широком диапазоне то­ков и температур необходима петля обратной связи, принципиально не реализуемая при наличии гальваниче­ской развязки. Поэтому идут по пути использования двух идентичных оптронов (или дифференциального оптрона), один из которых выступает в качестве вспо­могательного элемента, обеспечивающего обратную связь (рис. 6.13). В таких схемах удобно использовать диффе­ренциальные оптопары КОД301А, КОД303А.

На рис. 6.14 представлена схема двуступенного транзисторного усилителя с оптоэлектронной связью. Изменение тока коллектора транзистора VT1 вызы­вает соответствующее изменение тока светодиода оптопары U1 и сопротивле­ния ее фоторезистора, который включен в цепь базы транзистора VT2. На на­грузочном резисторе R2 выделя

ется усиленный выходной сигнал. Применение оптопары практически полностью устраняет передачу сигнала с выхода на вход усилителя.

Оптопары удобны для межблочной гальванической развязки в радиоэлектронной аппаратуре. Например, в схеме гальванической развязки двух блоков (рис. 6.15) сигнал с выхода блока 1 передается на вход блока 2 через диодную оптопару U1. Если в качестве второго блока использована интегральная микросхема с малым входным током, необходимость использования уси­лителя отпадает, а фотодиод оптопары в этом случае работает в фотогенера­торном режиме.

Рис. 6.13. Гальваническая развязка аналогового сигнала: 01, 02 – оптроны, У1, У2 – операционные усилители

Рис. 6.14. Двухкаскадный транзисторный усилитель с оптоэлектронной связью

Оптопары и оптоэлектронные микросхемы применяют в устройствах пере­дачи информации между блоками, не имеющими замкнутых электрических свя­зей. Применение оптопар существенно повышает помехоустойчивость каналов связи, устраняет нежелательные взаимодействия развязываемых устройств по цепям питания и общему проводу. Цепи сопряжения с применением оптопар широко используют в вычислительной и измерительной технике, в устройствах автоматики, особенно когда датчики или другие приемные устройства работают в условиях, опасных или недоступных человеку.

Например, реализация связи гальванически независимых логических элемен­тов может осуществляться с помощью оптоэлектронного переключателя (рис. 6.16). Оптоэлектронным переключателем может служить микросхема К249ЛП1, в состав которой входят бескорпусная оптопара и стандартный вентиль.

Оптопары позволяют упрощать решение задач сопряжения блоков, разно­родных по функциональному назначе
нию, характеру питания, например испол­нительных механизмов, питаемых от сети переменного тока, и цепей форми­рования управляющих сигналов, питаемых от низковольтных источников по­стоянного тока.

Большую группу задач представляет также согласование цифровых микро­схем с разными видами логики: транзисторно-транзисторной логикой  (ТТЛ), эмиттерносвя

занной логикой (ЭСЛ), комплементарной структурой «металл-окисел-полупроводник» (КМОП) и др. Пример схемы со­гласования элемента ТТЛ с МДП с помощью транзисторной оптопары показан на рисунке 6.17. Входная и выходная ступени не имеют общих электрических цепей и могут работать в самых различных условиях и режимах.

Идеальная гальваническая развязка нужна во многих практических случа­ях, например в медицинской диагностической аппаратуре, когда датчик при­креплен к телу человека, а измерительный блок, усиливающий и преобразую­щий сигналы датчика, подключен к сети. При неисправности измерительного блока может возникнуть опасность поражения человека электрическим током. Собственно датчик питается от отдельного низковольтного источника питания и подключается к измерительному блоку через развязывающую оптопару (рис. 6.18).

Оптопары удобны и в других случаях, когда «незаземленные» входные устройства приходится сопрягать с «заземленными» выходными устройствами. Примерами та

ких задач могут служить соединение линии телетайпной связи с дисплеем, «автоматический секретарь», подключаемый к телефонной линии, и т.п. Например, в схеме сопряжения линии связи с дисплеем (рис. 6.19, а) операционный усилитель обеспечивает требуемый уровень сигналов на входе дисплея. Аналогично можно связать передающий пульт с линией связи (рис. 6.19, б).

Рис. 6.19. Сопряжение «незаземленных» и «заземленных» устройств

Рис. 6.20. Оптоэлектронные полупроводниковые реле:

а – нормальноразомкнутое, б – нормальнозамкнутое

Усиленные сигналы фотоприемника удобно передавать на исполнительные механизмы (например, электродвигатели, реле, источники света и т.п.) через оптоэлектронную гальваническую развязку. Примерами такой развязки могут служить два варианта наиболее распространенных полупроводниковых реле, разомкнутых и замкнутых, (рис.6.20). Реле коммутирует сигналы постоянного тока. Сигнал, воспринимаемый фототранзистором оптопары, открывает транзисторы VT1, VT2 и вклю­чает нагрузку

(рис.6.20, а) или отключает ее (6.20, б).

 

Рис 6.21. Оптоэлектронный импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор – весьма распространенный элемент современ­ной радиоэлектронной аппаратуры. Его используют в различных генераторах импульсов, усилителях мощности импульсных сигналов, каналах связи, теле­метрических системах, телевизионной технике и т.п. Традиционное конструк­тивное исполнение импульсного трансформатора с применением магнитопровода и обмоток не совмещается с технологическими решениями, используемыми в микроэлектронике. Частотная характеристика трансформатора во многих случаях не позволяет удовлетворительно воспроизводить как низко -, так и высо­кочастотные сигналы.

Практически идеальный импульсный трансформатор мож­но изготовить на базе диодной оптопары. Например, в схеме оптоэлектронного трансфор­матора с диодной оптопарой изображена (рис. 6.21) транзистор VT1 управ­ляет светодиодом оптопары U1 Сигнал, генерируемый фотодиодом, усиливают транзисторы VT2 и VT3.

Длительность фронта импульсов в значительной степени зависит от быстро­действия оптопары. Наиболее высоким быстродействием обладают фотодиоды pin-ст
руктуры. Время нарастания и спада выходного импульса не превышает нескольких десятков наносекунд.

На основе оптопар разработаны и выпускаются оптоэлектронные микросхемы, имеющие в своем составе одну или несколько оптопар, а также согла­сующие микроэлектронные схемы, усилители и другие функциональные эле­менты.

Совместимость оптопар и оптоэлектронных микросхем с другими стандарт­ными элементами микроэлектроники по уровням входных и выходных сигналов, напряжению питания и другим параметрам определили необходимость нормирования специальных параметров и характеристик.

ПРОБНИК ДЛЯ ПРОВЕРКИ ОПТОПАР

В последнее время мне приходится по работе, почти каждый день заниматься ремонтами ЖК телевизоров, в маленькой частной мастерской.  Тема эта достаточно рентабельная, и если заниматься преимущественно блоками питания и инверторами, не слишком сложная. Как известно, питается ЖК телевизор, как практически и вся современная электронная техника, от импульсного блока питания. Последний же, содержит в своем составе деталь, под названием оптрон или оптопара. Деталь эта предназначена для гальванической развязки цепей, что часто бывает необходимо в целях безопасности для работы схемы устройства. В составе этой детали находятся, обычные светодиод и фототранзистор. Как же оптрон работает? Упрощенно говоря, это можно описать, как что-то типа своего рода маломощного электронного реле, с контактами на замыкание. Далее приведена схема оптопары:

Схема оптопары

А вот тоже самое, но уже со странички официального даташита:

Распиновка оптопары

Ниже приведена информация из даташита, в более полном варианте:

Корпус оптопары

Оптроны часто выпускается в корпусе Dip, по крайней мере те, которые используются в импульсных блоках питания, и имеют 4 ножки.

Оптопара на фото

Первая ножка микросхемы, по стандарту обозначается ключом, точкой на корпусе микросхемы, она же анод светодиода, далее номера ножек идут по окружности, против часовой стрелки.

Проверка оптрона

Как можно проверить оптрон? Например так, как на следующей схеме:

Схема проверки оптрона

В чем суть такой проверки? Наш фототранзистор, когда на него попадет свет от внутреннего светодиода, сразу перейдет в открытое состояние, и его сопротивление резко уменьшится, с очень большого сопротивления, до 40-60 Ом. Так как мне эти микросхемы, оптроны требуется тестировать регулярно, решил вспомнить о том, что я ведь не только электронщик, но еще и радиолюбитель), и собрать какой нибудь пробничек, для быстрой проверки оптопары. Пробежался по схемам в инете, и нашел следующее:

Схема конечно очень простая, красный светодиод сигнализирует о работоспособности внутреннего светодиода, а зеленый, о целости фототранзистора. Поиск готовых устройств собираемых радиолюбителями, выдал фото простых пробничков, подобных этому:

Устройство для проверки оптопары с интернета

Это все конечно очень хорошо, но демонтировать каждый раз оптопару а после запаивать ее обратно - это же не наш метод :-). Требовалось устройство для удобной и быстрой проверки работоспособности оптопары, обязательно без выпаивания, плюс замахнулся при этом еще и на звуковую, и визуальную индикацию :-).

Звуковой пробник - схема

У меня был собран ранее простой звуковой пробничек по этой схеме, со звуковой и визуальной индикацией, с питанием от полутора вольт, батарейки АА.

Простой звуковой пробник

Решил, что это то что нужно, сразу готовый полуфабрикат), вскрыл корпус, ужаснулся своему полунавесному монтажу), времен первых лет, изучения мною радиодела. Тогда изготавливал плату, путем прорезания канавок в фольгированном текстолите, резаком. Просьба не пугаться), глядя на этот колхоз.

Внутренности и детали

Решено было пойти, путем изготовления аналога, своего рода пинцета, для быстрой проверки оптрона, в одно касание. Были выпилены из текстолита две маленьких полоски, и посередине их, была проведа бороздка резаком.

Контактные пластины из текстолита

Затем был нужен сжимающий механизм, с пружинкой. В ход пошла старая гарнитура от телефона, вернее клипса, для крепления на одежду, от нее.

Прищепка от гарнитуры

Дело было за малым, подпаять провода. и закрепить пластинки на клипсе с помощью термоклея. Получилось снова колхозно, как без этого), но на удивление крепко.

Пинцет для измерения самодельный

Провода были взяты, от разъемов подключения к материнской плате, корпусных кнопок системного блока, и светодиодов индикации. Единственный нюанс, на схеме у меня на один из щупов от мультиметра, подключаемых к пробнику посажена земля, сделайте ее контакт, если будете повторять, обязательно напротив земли питания светодиода оптрона, во избежания очень быстрого разряда батареи, при замыкании плюса питания, на минус батареи. Схемку распиновки пинцета, рисовать думаю будет лишнее, все понятно и так без труда.

Окончательный вид пробника оптронов

Так выглядит готовое устройство, причем сохранившее свой функционал звукового пробника, путем подключения через стандартные гнезда, щупов от мультиметра. Первые испытания показали, что 40 ом в открытом состоянии фототранзистора между выводами эмиттер – коллектор, для такого пробника, несколько многовато. Звук пробника был приглушен, и светодиод светил не очень ярко. Хотя для индикации работоспособности оптрона, этого было уже достаточно. Но ведь мы к полумерам не привыкли). В свое время собирал расширенный вариант, схемы этого звукового пробника, где обеспечено измерение при сопротивлении между щупами, до 650 Ом. Схему расширенного варианта привожу ниже:

Схема 2 - звуковой пробник

Данная схема отличается от оригинала, только наличием еще одного транзистора, и резистора в его базовой цепи. Печатную плату расширенной версии пробника, привел на рисунке ниже, она будут прикреплена в архиве.

Печатная плата на звуковой пробник

Данный пробник показал себя при проверке, достаточно удобным в работе, даже в таком, как есть варианте, после проведения на днях апгрейда, недостаток с тихим звучанием, и тусклым свечением светодиода, наверняка будет устранен. Всем удачных ремонтов! AKV.

   Форум

   Форум по обсуждению материала ПРОБНИК ДЛЯ ПРОВЕРКИ ОПТОПАР

Как работает оптопара | ОРЕЛ

Необходимо защитить чувствительные низковольтные компоненты и изолировать цепи на вашей печатной плате? Оптопара может сделать эту работу. Да будет свет! Это устройство позволяет передавать электрический сигнал между двумя изолированными цепями, состоящими из двух частей: светодиода, излучающего инфракрасный свет, и светочувствительного устройства, которое обнаруживает свет от светодиода. Обе эти части содержатся в традиционном черном ящике с парой контактов для подключения. С первого взгляда легко перепутать оптопару с интегральной схемой (ИС).

Эта симисторная оптопара выглядит как ИС. (Источник изображения)

Как это работает

Сначала на оптопару подается ток

А, благодаря чему инфракрасный светодиод излучает свет, пропорциональный току. Когда свет попадает на светочувствительное устройство, он включается и начинает проводить ток, как любой обычный транзистор.

Как работает оптрон. (Источник изображения)

Светочувствительное устройство по умолчанию обычно не подсоединяется, чтобы обеспечить максимальную чувствительность к инфракрасному свету.Его также можно подключить к земле с помощью внешнего резистора для большей степени контроля чувствительности переключения.

Оптопара эффективно изолирует выходную и входную цепи. (Источник изображения)

Это устройство в основном работает как переключатель, соединяющий две изолированные цепи на вашей печатной плате. Когда ток перестает течь через светодиод, светочувствительное устройство также перестает проводить и отключается. Все это переключение происходит через пустоту из стекла, пластика или воздуха без каких-либо электрических частей между светодиодом или светочувствительным устройством.Все дело в свете.

Преимущества и типы

Если вы разрабатываете электронное устройство, которое будет восприимчиво к скачкам напряжения, ударам молнии, скачкам напряжения питания и т. Д., Тогда вам понадобится способ защиты низковольтных устройств. При правильном использовании оптопара может эффективно:

  • Удалить электрические помехи из сигналов
  • Изолируйте низковольтные устройства от высоковольтных цепей
  • Позволяет использовать небольшие цифровые сигналы для управления более высокими напряжениями переменного тока

Оптопары бывают четырех конфигураций.Каждая конфигурация использует один и тот же инфракрасный светодиод с другим светочувствительным устройством. К ним относятся:

Фототранзистор и Photo-Darlington , которые обычно используются в цепях постоянного тока, и Photo-SCR и Photo-TRIAC , которые используются для управления цепями переменного тока.

Четыре типа оптопар. (Источник изображения)

Если вы любите приключения, вы даже можете сделать самодельную оптопару с некоторыми запасными частями.Просто совместите светодиод и фототранзистор внутри светоотражающей пластиковой трубки.

Самодельная оптопара, состоящая всего из трех простых частей. (Источник изображения)

Типичные приложения

Оптопары

могут использоваться отдельно в качестве переключающего устройства или использоваться с другими электронными устройствами для обеспечения изоляции между цепями низкого и высокого напряжения. Обычно эти устройства используются для:

  • Микропроцессорное переключение входов / выходов
  • Контроль мощности постоянного и переменного тока
  • Защита коммуникационного оборудования
  • Регламент электропитания

В этих приложениях вы встретите различные конфигурации.Некоторые примеры включают:

Оптранзисторный переключатель постоянного тока

Эта конфигурация обнаруживает сигналы постоянного тока, а также позволяет управлять оборудованием с питанием от переменного тока. MOC3020 идеально подходит для управления подключением к сети или подачи импульса затвора на другой фото-симистор с токоограничивающим резистором.

(Источник изображения)

Симистор оптопара

Эта конфигурация позволит вам управлять нагрузками с питанием от переменного тока, такими как двигатели и лампы. Он также способен проводить обе половины цикла переменного тока с обнаружением перехода через ноль.Это позволяет нагрузке получать полную мощность без значительных скачков тока при переключении индуктивных нагрузок.

(Источник изображения)

Рекомендации по компоновке печатной платы

Перед добавлением оптопары в компоновку печатной платы примите во внимание следующие три правила:

  • Держите заземляющие соединения оптопары отдельно

Стандартная оптопара включает в себя два контакта заземления: один для светодиода, а другой - для светочувствительного устройства. Соединение обоих этих заземлений вместе откроет вашу чувствительную схему для любого шума от внешнего заземления.Чтобы избежать этого, всегда создавайте две точки подключения: одну для контактов внешнего заземления, а другую - для входных заземляющих проводов.

  • Выберите правильное значение резистора ограничения тока

Выбор резистора ограничения тока, который работает при минимальном значении оптопары, приведет к нестабильному поведению. Также можно выбрать резистор, обеспечивающий слишком большой ток, при котором светодиод лопнет. При выборе значения для вашего резистора обязательно найдите значение минимального прямого тока из таблицы Current Transfer Ratio в таблице данных оптопары.У Vishay есть отличное руководство по чтению таблицы данных оптопары здесь.

  • Знайте, какой тип оптопары вам нужен

Не все оптопары созданы равными, и вам нужно будет выбрать правильный тип для вашего приложения. Например, опто-симистор используется, если вам нужно управлять нагрузкой переменного тока. Opto-Darlington предназначены только для малых входных токов. Если все, что вам нужно, это стандартная изоляция входа, то обычная оптопара PC817 справится с этой задачей. Эту статью от Nuts and Volts определенно стоит прочитать, чтобы понять типы и различия оптопар.

Библиотеки оптопар в EAGLE

Управляемые онлайн-библиотеки Autodesk EAGLE включают целую категорию оптопар для использования в вашем следующем проекте. Это лучше, чем создавать свои собственные пакеты и символы с нуля! Чтобы использовать эту библиотеку, убедитесь, что optocoupler.lbr активирован в панели управления Autodesk EAGLE, как показано ниже. Если это так, то в следующий раз, когда вам понадобится добавить компонент, у вас будет доступ ко всем этим устройствам.

Готовы начать изоляцию цепей и защиту низковольтных устройств? Загрузите Autodesk EAGLE бесплатно сегодня, чтобы начать использовать прилагаемые библиотеки оптопары!

Что такое оптопара и как она работает?

Если вы когда-либо разбирали зарядное устройство для телефона или импульсный блок питания, вы найдете несколько крошечных черных корпусов микросхем с необычным количеством контактов, в основном четыре или шесть, как в SMD-исполнении, так и в вариантах с сквозным отверстием.Что еще более необычно, так это то, что эти части обычно находятся над изоляционными прорезями и зазорами, что делает их назначение более загадочным.

Эти компоненты называются оптопарами или оптоизоляторами или просто оптопарами , и они выполняют важную функцию передачи сигналов между изолированными секциями схемы. Они используют свет для передачи сигналов между цепями.

Что такое оптопара и как она работает

Как мы уже узнали о транзисторах, идеальный транзистор не позволит току проходить через него, если базовый вывод не срабатывает.Но если вам аккуратно удастся отсоединить обычный дискретный транзистор и подать напряжение на выводы коллектора и эмиттера, вы заметите, что крошечный ток все еще течет! Это происходит из-за света, падающего на основание открытого кристалла транзистора.

Это означает, что фотоны света действительно способны выбивать дырки и электроны в легированном полупроводниковом материале. Это приводит к некоторым очень интересным возможностям, первая из которых - это фототранзистор, в основном двухконтактный транзистор без вывода базы.Они очень похожи на диоды и поставляются в прозрачных корпусах. Здесь свет действует как базовый ток. Фотодиоды работают очень похожим образом; они меняют свое «сопротивление» в зависимости от количества падающего на них света.

Фотодиоды и транзисторы используются в таких устройствах, как датчики приближения, которые обнаруживают небольшие изменения напряжения или тока на этих устройствах в зависимости от количества падающего на них света.

Если мы можем поместить светодиод и фототранзистор в закрытую трубку, свет, исходящий от светодиода (конечно, при условии, что он правильно управляется), загорится «основание» фототранзистора и сделает его проводящим.Это оставляет нам устройство, которое может управлять переключающим элементом без какого-либо физического контакта! Такое устройство уже существует, и как вы догадались, это оптрон !

Входы и выходы оптопары Оптопары

бывают разных форм, размеров и скоростей (об этом мы поговорим позже), но большинство из них имеют одни и те же базовые характеристики - диодный вход и выход переключающего элемента.

Диод очень похож на любой другой светодиод, за исключением того факта, что вы не можете видеть свет (во-первых, потому что он находится в герметичной пластиковой упаковке, а во-вторых, потому что он в основном инфракрасный).Он требует, чтобы его приводили в действие те же токи и напряжения, которые требуются для обычных светодиодов, а именно несколько вольт и несколько десятков миллиампер.

Приведенная ниже анимация поможет вам понять, как работает. Используемая здесь оптопара - это микросхема фототранзистора MCT2E. Как вы можете видеть, логический вход светодиода управляет выходом транзистора. В этой ИС сторона выхода состоит из транзистора, но так должно быть в каждом случае.

Сторона выхода фототранзистора немного интереснее, потому что обычно она состоит из транзистора типа NPN, как показано выше, но иногда это также может быть SCR или TRIAC, а иногда даже полностью совместимый с логикой выход!

Следует помнить одну важную вещь: поскольку база в основном управляется светом, «базовый ток» очень, очень низкий - вы не можете ожидать полного насыщения от этих типов транзисторов, а поскольку базовый ток очень мал, время подъема и спада часто очень медленное, как я узнал на собственном горьком опыте.Конечно, доступны оптические устройства с логическим выходом (и согласованием скоростей), но для выходной стороны требуется отдельный источник питания.

Хорошая особенность оптического выхода заключается в том, что, поскольку он полностью гальванически изолирован от входной стороны, он может плавать при любом напряжении - или, другими словами, он действует как плавающий «переключатель», хотя и не очень хороший.

Например, вы можете разместить транзисторный выход на стороне низкого уровня и добавить подтяжку к коллектору, поэтому, когда диод загорается, транзистор проводит и подтягивает коллектор до низкого уровня.Вы также можете разместить транзистор на стороне высокого напряжения с резистором между эмиттером и землей выхода, чтобы, когда на входе высокий уровень, на выходе эмиттера тоже был высокий уровень.

Но будьте осторожны, большинство обычных оптопаров имеют высокое напряжение насыщения из-за ограниченного базового привода, иногда порядка 1 Вольт!

Из-за своей низкой скорости обычные оптопары используются как часть контуров обратной связи источника питания с дополнительным бонусом в виде полной изоляции.

Как вы уже догадались, optos не может делать то, что могут делать трансформаторы - обеспечивать питание.В то время как трансформатор может питать изолированные схемы, с помощью современных технологий мы не можем эффективно передавать энергию через свет.

Но оптопары делают то, чего не могут трансформаторы, - очень эффективно и очень быстро передавать сигналы между цепями, без необходимости в отдельных драйверах. Мы можем подключить вход оптического сигнала непосредственно к выводу микроконтроллера, но мы не сможем сделать то же самое для сигнального трансформатора!

Практические советы по оптопарам

Для всех «медленных» целей: i.е. Сигналы порядка нескольких килогерц, я рекомендую использовать PC817, очень распространенный одиночный оптический сигнал, который поставляется в корпусе DIP4 или SMD. Подайте на вход не менее 5 мА.

Для более высоких скоростей я рекомендую TLP117, который имеет инвертированный логический выход, но требует питания 5 В на выходной стороне. Я получил 10 микросекундных импульсов из этого, что должно рассказать вам кое-что о его скорости!

Каким бы незначительным это ни казалось, если вы прочтете всю таблицу, вам лучше на самом деле это сделать.

Прочие устройства с оптической связью

Основываясь на той же технологии, мы находим ряд полезных устройств - опто-тиристоры и опто-тиристоры . Опто-TRIAC более известны как твердотельные реле или SSL. Они в основном действуют как обычные реле, но используют свет для срабатывания TRIAC с горячей стороны, который потребляет намного меньше тока, чем катушка реле.

Одним из недостатков является то, что полупроводниковые устройства имеют тенденцию закорачиваться при отказе, в то время как электромеханические реле не размыкаются.Об этом следует помнить при работе с критически важными приложениями.

С другой стороны, оптические тиристоры

обычно используются для запуска тиристоров большей мощности по изолированному сигналу.

Что такое оптопара и как она работает

Автор: Меган Тунг

Оптопара (также называемая оптоизолятором) - это полупроводниковое устройство, которое позволяет передавать электрический сигнал между двумя изолированными цепями. В оптопаре используются две части: светодиод, излучающий инфракрасный свет, и светочувствительное устройство, которое обнаруживает свет от светодиода.Обе части содержатся в черном ящике со контактами для подключения. Входная цепь принимает входящий сигнал, будь то сигнал переменного или постоянного тока, и использует сигнал для включения светодиода.

Фотодатчик - это выходная цепь, которая определяет свет, и, в зависимости от типа выходной цепи, выход будет переменным или постоянным током. Сначала ток подается на оптопару, благодаря чему светодиод излучает инфракрасный свет, пропорциональный току, протекающему через устройство. Когда свет попадает на фотодатчик, проходит ток, и он включается.Когда ток, протекающий через светодиод, прерывается, ИК-луч отключается, в результате чего фотосенсор перестает проводить.

Существует четыре конфигурации оптопар, разница заключается в используемом светочувствительном устройстве. Фототранзистор и Photo-Darlington обычно используются в цепях постоянного тока, а Photo-SCR и Photo-TRIAC используются для управления цепями переменного тока. В оптопаре на фототранзисторе транзистор может быть либо PNP, либо NPN. Транзистор Дарлингтона представляет собой пару из двух транзисторов, в которой один транзистор управляет базой другого транзистора.Транзистор Дарлингтона обеспечивает высокий коэффициент усиления.

Термины «оптопара» и «оптоизолятор» часто используются как синонимы, но между ними есть небольшая разница. Отличительным фактором является ожидаемая разница напряжений между входом и выходом. Оптопара используется для передачи аналоговой или цифровой информации между цепями при сохранении гальванической развязки при потенциалах до 5000 вольт. Оптоизолятор используется для передачи аналоговой или цифровой информации между цепями, где разность потенциалов превышает 5000 вольт.

Оптопара может эффективно:


  • Устранение электрических помех из сигналов
  • Изолируйте низковольтные устройства от высоковольтных цепей. Устройство способно избежать сбоев из-за скачков напряжения (например, из-за радиопередачи, ударов молнии и скачков напряжения в источнике питания).
  • Разрешить использование небольших цифровых сигналов для управления более высокими напряжениями переменного тока.

Меган Тунг - летний стажер в Jameco Electronics , посещает Калифорнийский университет в Санта-Барбаре (UCSB). Ее интересы включают фотографию, музыку, бизнес и инженерное дело.

Фото: учебники по электронике и Autodesk.

Учебное пособие по оптопаре и приложение для оптопары

Из наших руководств по трансформаторам мы знаем, что они могут не только обеспечивать понижающее (или повышающее) напряжение, но также обеспечивать «электрическую изоляцию» между более высоким напряжением на первичной стороне и более низким напряжением на вторичной стороне. .

Другими словами, трансформаторы изолируют первичное входное напряжение от вторичного выходного напряжения с помощью электромагнитной связи, и это достигается с помощью магнитного потока, циркулирующего внутри их многослойного железного сердечника.

Но мы также можем обеспечить электрическую изоляцию между входным источником и выходной нагрузкой, используя только свет, используя очень распространенный и ценный электронный компонент, называемый оптопарой .

Базовая конструкция оптопары, также известной как оптоизолятор , состоит из светодиода, излучающего инфракрасный свет, и полупроводникового светочувствительного устройства, которое используется для обнаружения излучаемого инфракрасного луча. И светодиод, и фоточувствительное устройство заключены в светонепроницаемый корпус или корпус с металлическими ножками для электрических соединений, как показано на рисунке.

Оптопара или оптоизолятор состоит из излучателя света, светодиода и светочувствительного приемника, который может быть одним фотодиодом, фототранзистором, фоторезистором, фото-тиристором или фототриаком с базовым режимом работы. оптопары очень просто понять.

Оптопара на фототранзисторах


Предположим, что устройство на фототранзисторах, как показано. Ток от источника сигнала проходит через входной светодиод, который излучает инфракрасный свет, интенсивность которого пропорциональна электрическому сигналу.

Этот излучаемый свет падает на базу фототранзистора, заставляя его включаться и проводить аналогично нормальному биполярному транзистору.

Базовое соединение фототранзистора может быть оставлено открытым (неподключенным) для максимальной чувствительности к энергии инфракрасного света светодиодов или подключено к земле через подходящий внешний резистор высокого номинала для управления чувствительностью переключения, что делает его более стабильным и устойчивым к воздействию ложное срабатывание из-за внешних электрических помех или скачков напряжения.

Когда ток, протекающий через светодиод, прерывается, излучаемый инфракрасным светом отключается, в результате чего фототранзистор перестает проводить. Фототранзистор можно использовать для переключения тока в выходной цепи. Спектральная характеристика светодиода и светочувствительного устройства близко согласована, поскольку они разделены прозрачной средой, такой как стекло, пластик или воздух. Поскольку нет прямого электрического соединения между входом и выходом оптопары, достигается электрическая изоляция до 10 кВ.

Оптопары доступны в четырех основных типах, каждый из которых имеет источник инфракрасного светодиода, но с различными светочувствительными устройствами. Четыре оптопары называются: фототранзистор , фототранзистор , Photo-SCR и фототранзистор , как показано ниже.

Типы оптопар

Фототранзистор и фотодарлингтона предназначены в основном для использования в цепях постоянного тока, в то время как фото-тиристор и фототиристор позволяют управлять цепями переменного тока.Есть много других видов комбинаций источник-датчик, таких как светодиод-фотодиод, светодиод-лазер, пары лампа-фоторезистор, отражающие и щелевые оптопары.

Простые самодельные оптопары могут быть сконструированы из отдельных компонентов. Светодиод и фототранзистор вставлены в жесткую пластиковую трубку или заключены в термоусаживаемую трубку, как показано на рисунке. Преимущество этой самодельной оптопары заключается в том, что трубку можно обрезать до любой длины и даже согнуть по углам. Очевидно, что трубка с отражающей внутренней стороной будет более эффективной, чем темная черная трубка.

Самодельный оптрон

Приложения для оптопары

Оптопары и оптоизоляторы

могут использоваться сами по себе или для переключения ряда других более крупных электронных устройств, таких как транзисторы и симисторы, обеспечивая необходимую гальваническую развязку между управляющим сигналом более низкого напряжения, например, от Arduino или микроконтроллера. , и гораздо более высокий выходной сигнал напряжения или тока сети.

Общие области применения оптопар включают микропроцессорное переключение входов / выходов, управление питанием постоянного и переменного тока, связь с ПК, изоляцию сигналов и регулировку источника питания, которые страдают от токовых контуров заземления и т. Д.Передаваемый электрический сигнал может быть аналоговым (линейным) или цифровым (импульсным).

В этом приложении оптопара используется для обнаружения срабатывания переключателя или другого типа цифрового входного сигнала. Это полезно, если обнаруживаемый переключатель или сигнал находится в электрически зашумленной среде. Выход может использоваться для управления внешней схемой, светом или как вход для ПК или микропроцессора.

Оптотранзисторный переключатель постоянного тока

Здесь, в этом примере, подключенный извне резистор 270 кОм используется для управления чувствительностью области базы фототранзистора.Номинал резистора может быть выбран в соответствии с выбранным фотоэлементом и требуемой чувствительностью переключения. Конденсатор предотвращает любые нежелательные выбросы или переходные процессы от ложного срабатывания базы оптранзисторов.

Помимо обнаружения сигналов и данных постоянного тока, также доступны опто-симисторные изоляторы, которые позволяют управлять оборудованием с питанием от переменного тока и сетевыми лампами. Симисторы с оптической связью, такие как MOC 3020, имеют номинальное напряжение около 400 вольт, что делает их идеальными для прямого подключения к сети и максимальным током около 100 мА.Для более мощных нагрузок можно использовать опто-симистор для подачи импульса затвора на другой более мощный симистор через токоограничивающий резистор, как показано.

Применение симисторного оптопара

Этот тип конфигурации оптопары составляет основу очень простого твердотельного реле, которое можно использовать для управления любой нагрузкой с питанием от сети переменного тока, такой как лампы и двигатели. Также, в отличие от тиристора (SCR), симистор способен проводить обе половины сетевого цикла переменного тока с обнаружением перехода через нуль, позволяя нагрузке получать полную мощность без больших пусковых токов при переключении индуктивных нагрузок.

Оптопары и Оптоизоляторы - отличные электронные устройства, которые позволяют управлять такими устройствами, как силовые транзисторы и симисторы, с выходного порта ПК, цифрового переключателя или с помощью низковольтного сигнала данных, например, от логического элемента. Основное преимущество оптопар - их высокая гальваническая развязка между входными и выходными клеммами, позволяющая относительно небольшим цифровым сигналам управлять очень большими переменными напряжениями, токами и мощностью.

Оптопара может использоваться как с сигналами постоянного, так и переменного тока с оптопарами, использующими тиристор (тиристор) или симистор, поскольку устройство фотодетектирования в первую очередь предназначено для приложений управления мощностью переменного тока.Основным преимуществом фото-тиристоров и фототиристоров является полная изоляция от любых шумов или скачков напряжения, присутствующих в линии питания переменного тока, а также обнаружение перехода через ноль синусоидальной формы волны, что снижает коммутационные и пусковые токи, защищая любые используемые силовые полупроводники. от термического напряжения и ударов.

Как работает оптопара и основы оптопары

Резюме

Оптопара (OC), также называемая оптоэлектронным изолятором или оптопарой, представляет собой устройство, которое передает электрические сигналы в среде света.Обычно он включает в себя люминатор (инфракрасный светодиод) и светоприемник (светочувствительную полупроводниковую трубку) в одной оболочке. Когда входной сигнал включен, люминатор излучает свет, а приемник принимает свет и генерирует фототок, который вытекает из выходного конца, тем самым реализуя «электрическое оптико-электрическое» преобразование. Оптопара, использующая свет в качестве среды для передачи входного сигнала на выходной конец, имеет преимущества небольшого размера, длительного срока службы и отсутствия точки контакта.Он широко используется в цифровых схемах из-за его сильной защиты от помех, изоляции между выходом и входом, односторонней передачи сигнала и так далее.

Каталог


I Как работает оптопара?

Соединители передают электрические сигналы в среде света. Они имеют хорошую изоляцию для входных и выходных сигналов, поэтому широко используются в различных схемах. В настоящее время он стал одним из наиболее широко используемых оптоэлектронных устройств.Оптопара обычно состоит из трех частей: светового излучения, приема света и усиления сигнала. Входной электрический сигнал заставляет светодиод излучать свет определенной длины волны, который будет приниматься фотодетектором и затем генерировать фототок, а затем выводиться после дальнейшего усиления.

На этом завершается преобразование оптико-электрооборудования, которое играет роль входа, выхода и развязки. Поскольку взаимодействие между входом и выходом оптопары и передача электрических сигналов является однонаправленной, оптопара имеет хорошую электрическую изоляцию и способность противодействия помехам.Кроме того, поскольку входной конец оптопары представляет собой компонент с низким сопротивлением текущего типа работы, он имеет сильную способность подавления синфазного сигнала.

Таким образом, он может значительно улучшить отношение сигнал / шум (SNR), когда он используется в качестве элемента развязки оконечных устройств при передаче информации по длинной линии, а также в качестве интерфейсного устройства для изоляции сигналов в компьютерной цифровой связи и в режиме реального времени. контроль. Надежность работы компьютера можно значительно повысить.

Это видео демонстрирует, как работает оптрон / оптоизолятор.

II Преимущества оптопары

Основными преимуществами оптопары являются: односторонняя передача сигнала, полная гальваническая развязка между входными и выходными клеммами, отсутствие влияния выходного сигнала на вход, сильная способность противодействия помехам, стабильная работа, отсутствие контакта, длительный срок службы и высокая эффективность передачи.

Оптопара - это новое устройство, разработанное в 70-х годах, и теперь оно широко используется в электрической изоляции, реле уровня, межкаскадной связи, цепи привода, цепи переключения, прерывателе, мультивибраторе, изоляции сигнала, межкаскадной изоляции, схемах импульсных усилителей, цифровых приборах, дистанционная передача сигналов, усилители импульсов, твердотельные реле (SSR), контрольно-измерительные приборы, оборудование связи и микрокомпьютерные интерфейсы.В монолитном импульсном источнике питания схема обратной связи с оптическим соединением может быть построена с использованием линейной оптопары, а рабочий цикл может быть изменен путем регулировки управляющего тока для достижения цели точной стабилизации напряжения.

Оптопара

III Типы оптопары

Существует два типа оптопары: одна - с нелинейно-оптической связью, а другая - с линейной оптической связью.

Кривая передачи тока нелинейной оптопары нелинейна.Такая оптопара подходит для коммутации передачи сигнала и не подходит для аналоговой передачи. Обычно используемый оптрон серии 4N представляет собой нелинейный оптрон.

Кривая характеристики передачи тока линейного оптрона близка к прямой, а характеристики линейного оптрона лучше. Его можно изолировать и контролировать по линейным характеристикам. Обычно используются линейные оптопары серии PC817A-C.

Линейный оптрон обычно используется в импульсных источниках питания.Если используется нелинейная оптопара, это может ухудшить форму колебательного сигнала, а в тяжелых случаях могут возникнуть паразитные колебания, так что частота колебаний от тысяч до сотен Гц будет модулироваться, в свою очередь, низкочастотными колебаниями от нескольких десятков до сотен Гц. Гц. Следствием этого является то, что это будет мешать изображению на цветном телевизоре, цветном дисплее, VCD, DCD и т. Д. При этом снизится нагрузочная способность блока питания. При обслуживании цветных телевизоров, дисплеев и других импульсных источников питания, если оптопара повреждена, ее необходимо заменить линейной оптопарой.

Наиболее часто используемые 4-контактные линейные оптопары: PC817A, PC111, TLP521 и так далее. Обычно используемые 6-контактные линейные оптопары включают: LP632, TLP532, PC614, PC714, PS2031 и так далее. И обычно используемые 4N25, 4N26, 4N35, 4N36 не подходят для использования в импульсных источниках питания, потому что эти четыре типа оптопар являются нелинейными оптопарами.

Линейная схема оптопары

Существует так много видов и типов оптопар. В руководстве по оптоэлектронным данным более тысячи типов, которые обычно можно классифицировать по следующим методам:

Разделен на внешнюю оптическую оптопару (также называемую оптоэлектронным детектором прерывателя) и внутреннюю оптическую оптопару.Внешние оптические оптопары можно разделить на пропускающие и отражающие оптопары.

A. Выход светочувствительного устройства, включая фотодиод, фотоистор, фотоэлемент, оптический тиристор и т. Д.

B. Триодный выход NPN, включая вход переменного тока, вход постоянного тока, дополнительный выход и т. Д.

C. Выход триода Дарлингтона, включая вход переменного тока, вход постоянного тока.

D. Выход логического элемента, включая выход элемента управления, выход триггера Шмидта, выход с тремя состояниями и т. Д.

E.Выход с низкой проводимостью (Выходной низкий уровень)

F. Оптический релейный выход (Ron <10 Ом)

G. Выходная мощность (IGBT / MOSFET)

Разделен на коаксиальный, UPRND, TO, плоский корпус, патч-пакет, оптоволоконную передачу и т. Д.

Разделен на цифровую оптопару (выход OC gate, выход Totem Pole, трехступенчатый выход затвора и т. Д.) И линейную оптопару (малый дрейф, высокий линейный тип, широкополосный тип, одинарное питание, дублированное питание и т. Д.)

Разделен на низкоскоростной оптрон (фотоистор, фотоэлемент и т. Д.) И высокоскоростной оптрон (светочувствительный диод, светочувствительная интегральная схема и т. Д.))

Разделены на одноканальные, двухканальные и многоканальные оптопары.

Разделен на оптопару с общей изолированной изоляцией (обычно заземление OCA <5000 В) и изолированную оптрону высокого напряжения (10 кВ, 20 кВ, 30 кВ и т. Д.)

Разделен на оптрон с низким напряжением питания (обычно 5-15 В) и оптрон с высоким напряжением питания (обычно> 30 В).

IV Структура

Основные характеристики оптоэлектронной связи следующие:

Внутреннее устройство оптопары

  • Сопротивление изоляции между входными и выходными клеммами обычно превышает 10000 МОм, а сопротивление напряжению обычно может превышать 1 кВ, а некоторые могут даже достигать 10 кВ.

  • Поскольку оптический приемник может принимать только информацию об источнике света, в противном случае он не может принимать обратную связь, когда сигнал передается от источника света к оптическому приемнику, и выходной сигнал не влияет на входной сигнал.

  • Поскольку светоизлучающее устройство (инфракрасный диод GaAs) представляет собой устройство, управляемое током с полным сопротивлением, а шум представляет собой сигнал напряжения микротока с высоким внутренним сопротивлением, коэффициент подавления синфазного сигнала оптопары очень велик.Следовательно, оптопара может хорошо подавлять помехи и устранять шум.

  • Легко сочетается с логической схемой.

  • Высокая скорость отклика. Постоянная времени оптопары обычно составляет микросекунды или даже наносекунды.

  • Бесконтактный, долгий срок службы, малый размер, ударопрочность.

V Характеристики

Основным преимуществом оптопары является односторонняя передача сигнала, входной и выходной конец полностью обеспечивают электрическую изоляцию, сильную защиту от помех, длительный срок службы и высокую эффективность передачи.Он широко используется в преобразовании уровня, изоляции сигнала, межкаскадной изоляции, коммутационной схеме, дистанционной передаче сигнала, усилении импульсов, твердотельном реле, приборе, коммуникационном оборудовании и интерфейсе микрокомпьютера.

Поскольку входной импеданс оптопары меньше, чем у обычного источника помех, напряжение помех на входном конце оптопары невелико, ток, который он может обеспечить, невелик, что непросто сделать полупроводниковый диод излучающим свет.Поскольку корпус оптопары герметичен, на него не влияет внешний свет. Сопротивление изоляции оптопары очень велико (около 1012 Ом), а изолирующая емкость очень мала (около нескольких пФ), поэтому она может предотвратить электромагнитные помехи, вызванные соединением цепей. Линейный оптопара работает, добавляя управляющее напряжение к входному концу оптопары.

На выходе пропорционально создается напряжение для дальнейшего управления следующим этапом схемы.Линейный оптопара состоит из светодиода и фотоистора. Оптопара управляется током и требует достаточно большого тока для включения светодиода. Если входной сигнал слишком мал, светодиод не будет включаться, а его выходной сигнал будет искажен. В импульсном источнике питания, особенно в цифровом импульсном источнике питания, линейная оптопара может использоваться для формирования цепи обратной связи оптопары. Рабочий цикл можно изменить, регулируя управляющий ток для достижения цели точной стабилизации напряжения.

Волоконно-оптический соединитель с полой сердцевиной

VI Технические параметры

Основными техническими параметрами оптопары являются прямое падение напряжения на светодиодах VF, прямой ток IF, коэффициент передачи тока CTR, сопротивление изоляции между входным каскадом и выходным каскадом, коллектор- напряжение обратного пробоя эмиттера V (BR) CEO, падение напряжения насыщения коллектор-эмиттер VCE (sat). Кроме того, при передаче цифровых сигналов следует учитывать такие параметры, как время нарастания, время спуска, время задержки и время хранения.

Коэффициент передачи тока - важный параметр оптопары, который обычно выражается коэффициентом передачи постоянного тока. Отношение равно процентному соотношению выходного постоянного тока IC и входного постоянного тока IF, когда выходное напряжение остается постоянным.

В большинстве оптопар используется фотоистор, CTR которого находится в диапазоне от 20% до 300% (например, 4N35), а PC817 составляет от 80% до 160%). Оптопары Дарлингтона (такие как 4N30) могут достигать 100–5000%.Это указывает на то, что для того же выходного тока последний требует только меньший входной ток. Таким образом, есть некоторое сходство между параметрами hFE транзистора и параметрами CTR. Получена типичная характеристическая кривая CTR-IF линейного оптопара и обычного оптопара.

Характеристическая кривая CTR-IF обычной оптопары является нелинейной, и нелинейные искажения особенно серьезны, когда IF мала, поэтому она не подходит для передачи аналогового сигнала.Характеристическая кривая CTR-IF линейной оптопары имеет хорошую линейность, особенно когда сигнал мал, коэффициент передачи переменного тока (ΔCTR = ΔIC / ΔIF) очень близок к коэффициенту передачи постоянного тока (CTR). Следовательно, он подходит для передачи аналогового сигнала напряжения или тока и может обеспечивать линейную зависимость выходного и входного сигнала. Это его важная характеристика.

Основная цель использования оптопары - обеспечить изоляцию между входной и выходной цепями.При проектировании схемы необходимо соблюдать следующие принципы: Выбранная оптопара должна соответствовать национальным и международным стандартам для изолированного напряжения пробоя. В Китае широко используются оптопары серии 4N (например, 4N25, 4N26, 4N35), производимые британской компанией Isocoman и Motorola в США. Учитывая коммутационные характеристики такой оптопары, ее линейность невысока, и она подходит для передачи цифровых сигналов (высокого и низкого уровня), которые можно использовать для развязки выхода одиночного чипа.Используемые оптопары должны иметь высокий коэффициент связи.

VII Пример применения октопары

Давайте возьмем 6-контактную оптопару TLP641J в качестве примера, чтобы объяснить ее принцип.

TLP641J

Тиристор с оптическим управлением соединен с инфракрасным светодиодом на основе арсенида галлия. Контакты 1 и 2 - светодиоды. Когда подается напряжение, светоизлучающий диод испускает свет определенной длины волны для запуска тиристора, управляемого светом.Оптический тиристор отличается тем, что фотодиод встроен в область затвора, а источник сигнала запуска изолирован от основной цепи.

Ключевым моментом является высокая чувствительность триггера. Ток срабатывания тиристорного регулятора с оптическим управлением снимается с помощью фотогенерируемого носителя в устройстве. Светоуправляемый тиристор переводится из выключенного состояния во включенное состояние. Чтобы улучшить чувствительность триггера оптического тиристора, в области затвора часто используется структура затвора или структура затвора с двойным усилением.Структура короткого замыкания катод-эмиттер часто используется для обеспечения высокой скорости нарастания напряжения перезарядки. Оптические тиристоры малой мощности часто используются с гальванической развязкой для обеспечения триггера контрольного полюса для больших тиристоров, а также для реле, автоматического управления и т. Д. Оптические тиристоры большой мощности в основном используются для передачи постоянного тока высокого напряжения.

TLP641J

Когда к контактам 1 и 2 добавляется источник питания 5 В или более, люминотрон может светиться и переводить управляемый светом тиристор во включенное состояние.В то же время контакты 5 и 4 образуют сопротивление, значение сопротивления которого составляет около 10 кВ. Когда 1 и 2 не добавляют напряжения, тогда 4 и 5 можно рассматривать как бесконечное сопротивление.

PC817

PC817 - широко используемый линейный оптрон. Он часто используется в качестве соединителя в различных функциональных схемах, требующих большей точности. Он имеет функцию полной изоляции цепи верхнего и нижнего уровня, которая не имеет взаимного влияния.

При включении входного сигнала светоизлучающее устройство излучает свет, который попадает на светоприемник.После приема света светоприемник подводит выходной фототок с выходного конца, тем самым реализуя «электрическое оптико-электрическое» преобразование.

Схема оптопары

PC817

Обычные оптопары могут передавать только цифровые сигналы (сигналы переключения) и не подходят для передачи аналоговых сигналов. Линейные оптопары - это новый тип оптоэлектронных изоляторов, которые могут передавать непрерывно изменяющиеся аналоговые сигналы напряжения или тока.Таким образом, при изменении входного сигнала будет создаваться соответствующий оптический сигнал, который заставляет оптический транзистор иметь различную проводимость и выходное напряжение или ток.

Оптопара

PC817 может не только выполнять роль обратной связи, но и выполнять изолирующую роль.

Светодиод прямого тока

Цепь реле управления оптической связью

Ⅷ FAQ

1. Как работает оптопара?

Используя оптрон, когда к светодиоду подается электрический ток, излучается инфракрасный свет, который проходит через материал внутри оптоизолятора.Луч проходит через прозрачный зазор и улавливается приемником, который преобразует модулированный свет или ИК-излучение обратно в электрический сигнал.

2. Объясните, почему в схемах управляемого выпрямителя используется оптопара?

В этом приложении оптопара используется для обнаружения срабатывания переключателя или другого типа цифрового входного сигнала. Это полезно, если обнаруживаемый переключатель или сигнал находится в электрически зашумленной среде.

3.Как выбрать оптопару?

Основными критериями выбора являются напряжение коллектор-эмиттер VCEO номинальное напряжение между коллектором и эмиттером; коэффициент передачи тока IC / IF, тип с низким входом, усиление высокого тока на выходе транзистора Дарлингтона, количество каналов и тип корпуса.

4. Где используется оптопара?

Оптопары

могут использоваться как сами по себе в качестве переключающих устройств, так и с другими электронными устройствами для обеспечения изоляции между цепями низкого и высокого напряжения.Обычно эти устройства используются для переключения ввода / вывода микропроцессора. Контроль мощности постоянного и переменного тока.

5. Как сделать схему оптрона?

На выходной стороне, поскольку есть гальваническая развязка, нам нужно разместить источник питания так, чтобы нагрузка, в данном случае, могла загореться светодиод. Итак, мы подключаем источник питания 3 В к коллектору, и он включает светодиод. Так работает схема оптрона.

6.Почему в реле используется оптопара?

В хорошо зарекомендовавшей себя схеме управления реле используется оптопара для изоляции заземления и шумовой связи между низковольтной сигнальной схемой цифрового управления (слева) и реле в качестве нагрузки (справа). ... Это, в свою очередь, активирует реле.

7. Каковы недостатки оптопары?

Это небольшое и легкое устройство. Недостатки: низкая скорость. Возможность подключения сигналов для сигналов большой мощности.

8. Каковы особенности оптопары?

Оптопара или оптоизолятор состоит из излучателя света, светодиода и светочувствительного приемника, который может быть одним фотодиодом, фототранзистором, фоторезистором, фото-тиристором или фототриаком, и основные операции разобраться в оптроне очень просто.

9. В чем разница между оптопарой и оптоизолятором?

Оптопара, также называемая оптоизолятором, оптопарой или оптическим изолятором, представляет собой компонент, который передает электрические сигналы между двумя изолированными цепями с помощью света.Цифровой изолятор CMOS - это компонент, который передает электрические сигналы между двумя изолированными цепями с использованием высокочастотной несущей.

10. Почему в ИИП используется оптопара?

Конструкции преобразователей мощности

SMPS зависят от обратной связи об их выходном напряжении для поддержания регулирования. Этот сигнал обратной связи обычно проходит через оптрон для поддержания гальванической развязки между первичной и вторичной сторонами.


Рекомендация книги

- от Inc Vishay Intertechnology (Автор)

В этой книге по усовершенствованным схемам оптоизоляции для нелинейных приложений в технике рассматриваются две отдельные инженерные и научные области и представлены передовые методы анализа схем оптоизоляции, которые охватывают широкий спектр инженерных приложений.В книге с помощью теории Флоке анализируются оптоизолирующие схемы как линейные и нелинейные динамические системы и их предельные циклы, бифуркация и устойчивость предельных циклов. Кроме того, обсуждается широкий спектр бифуркаций, связанных с системами оптоизоляции: касп-катастрофа, бифуркация Баутина, бифуркация Андронова-Хопфа, бифуркация Богданова-Такенса (BT), бифуркация сворачивания Хопфа, бифуркация Хопфа-Хопфа ), и седловидная или гомоклиническая бифуркация. Теория Флоке помогает анализировать современные оптоизолирующие системы.Теория Флоке - это исследование устойчивости линейных периодических систем в непрерывном времени. Другой способ описания теории Флоке - это изучение линейных систем дифференциальных уравнений с периодическими коэффициентами. Система оптоизоляции демонстрирует богатое разнообразие динамических режимов, включая простые колебания, квазипериодичность, бистабильность между периодическими состояниями, сложные периодические колебания (включая тип смешанного режима) и хаос. Путь к хаосу в этой оптоизолирующей системе включает аттрактор тора, который дестабилизируется и распадается на фрактальный объект, странный аттрактор.Книга уникальна тем, что делает упор на практические и инновационные инженерные приложения. К ним относятся оптопары в различных топологических структурах, пассивные компоненты, консервативные элементы, рассеивающие элементы, активные устройства и т. Д. В каждой главе концепция развивается от основных предположений до конечных инженерных результатов. Научное обоснование объясняется на начальном и продвинутом уровнях и тесно связано с математической теорией. Книга предназначена в первую очередь для новичков в линейной и нелинейной динамике и передовых схемах оптоизоляции, а также на инженеров-электриков и электронщиков, студентов и исследователей в области физики, которые прочитали первую книгу «Применение нелинейных схем оптоизоляции в технике».Он идеально подходит для инженеров, которые не имели формального обучения нелинейной динамике, но теперь хотят преодолеть разрыв между инновационными схемами оптоизоляции и передовыми методами математического анализа.

- Предложить Алуф (Автор)


Соответствующая информация о «Принципах работы оптопары и основных принципах работы оптопары»

О статье «Как работает оптопара и основы оптопары». Если у вас есть лучшие идеи, не стесняйтесь писать свои мысли в следующей области комментариев.Вы также можете найти больше статей об электронных полупроводниках через поисковую систему Google или обратиться к следующим связанным статьям.

Что такое оптоизолятор и как он работает?

Что такое оптоизолятор (оптопара или оптрон)?

Оптоизолятор (также известный как оптический соединитель, оптопара, оптрон) - это полупроводниковое устройство, которое передает электрический сигнал между изолированными цепями с помощью света.

Эти электронные компоненты используются в широком спектре систем связи и мониторинга, в которых используется гальваническая развязка, чтобы излучатели высокого напряжения не влияли на схемы с низким энергопотреблением, принимающие сигнал.

Как работают оптоизоляторы?

Схема оптоизолятора состоит из излучателя, в данном случае инфракрасного светодиода (IRED) или лазерного диода для передачи входного сигнала и фотодатчика (или фототранзистора) для приема сигнала.Таким образом, входной сигнал может генерировать электрическую энергию или модулировать электрический ток, исходящий от электронного устройства или другого источника питания.

Когда входной ток подается на светодиодный фотодиод (обычный тип фотодатчика), генерируется инфракрасный свет, который проходит через материал внутри оптического изолятора. Луч проходит через прозрачный зазор и улавливается приемником, который действует как преобразователь. Используя изоляцию сигнала, датчик может преобразовывать модулированный свет обратно в выходной сигнал.

Входной стороной оптоизоляторов может быть фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, кремниевый выпрямитель или симистор. Твердотельное реле с оптопарой содержит оптоизолятор на фотодиоде, который управляет переключателем питания на выходной стороне, обычно это пара дополнительных полевых МОП-транзисторов.

Почему так важны оптоизоляторы?

Электронное оборудование, такое как микроконтроллеры, печатные платы и трансформаторы, подвержено скачкам напряжения из-за радиочастотных передач, ударов молнии и скачков напряжения источника питания.

Оптоизоляторы на основе фоторезисторов были впервые использованы в 1968 году в аудио- и музыкальной индустрии, чтобы избежать поломки оборудования, такого как гитарные усилители. Оптоизоляторы предлагают безопасный способ пропорциональной совместной работы высоковольтных компонентов и низковольтных устройств.

Оптоизолятор заключен в единое устройство (см. Изображение) и имеет вид интегральной схемы или транзистора с дополнительными выводами. Благодаря автоматизации организации могут использовать оптопары для изоляции цепей малой мощности от выходных цепей большей мощности и для удаления электрических помех из сигналов.

Иллюстрация того, как оптоизоляторы устраняют электрические помехи из сигналов.

Для каких целей используются оптоизоляторы? Оптоизоляторы

наиболее подходят для изоляции напряжения от цифровых сигналов, но их также можно использовать для передачи аналоговых сигналов.

Изоляция любой скорости передачи данных более 1 мегабита в секунду (Мбит / с) считается высокой скоростью. Наиболее распространенная скорость, доступная для цифровых и аналоговых оптоизоляторов, составляет 1 Мбит / с, хотя также доступны цифровые скорости 10 Мбит / с и 15 Мбит / с.

Оптоизоляторы

считаются слишком медленными для многих современных цифровых применений, но исследователи создали альтернативы с 1990-х годов.

В коммуникациях высокоскоростные оптоизоляторы используются в источниках питания для серверов и телекоммуникационных приложений - например, технология Power over Ethernet (PoE) для проводных локальных сетей Ethernet. Компоненты оптоизоляторов также могут защитить Ethernet и оптоволоконные кабели от скачков напряжения. В телефонах VoIP электрические сигналы могут быть изолированы с помощью транзисторной выходной оптопары.

Хотя это уже не является распространенным явлением, когда модемы используются для подключения к телефонным линиям, использование оптоизоляторов позволяет подключать компьютер к телефонной линии без риска повреждения из-за скачков напряжения или скачков напряжения. В этом случае в аналоговой части устройства используются два оптоизолятора: один для восходящих сигналов, а другой - для нисходящих сигналов. Если в телефонной линии произойдет скачок напряжения, это не повлияет на работу компьютера, поскольку оптический зазор не проводит электрический ток.

Что такое оптопары? Определение, конструкция и работа оптопар

Определение : Оптопара или оптоэлектронный соединитель - это электронный компонент, который в основном действует как интерфейс между двумя отдельными цепями с различными уровнями напряжения . Оптопары - это общий компонент, с помощью которого можно обеспечить гальваническую развязку между входным и выходным источником. Это 6-контактное устройство , которое может иметь любое количество фотодетекторов.

Здесь луч света, излучаемый источником света, существует как единственный контакт между входом и выходом. Благодаря этому мы можем иметь сопротивление изоляции мегаом между двумя цепями. В приложениях с высоким напряжением, где разница напряжений между двумя цепями отличается на несколько тысяч вольт, такая изоляция является предпочтительной. Использование всех таких электронных изоляторов заключается во всех тех условиях, когда сигнал должен проходить между двумя изолированными цепями.

До сих пор мы говорили об изолированной цепи, но нужно знать ее значение, прежде чем переходить к дальнейшим аспектам.

Что такое изолированная цепь?

Изолированные цепи - это цепи, которые не имеют общего проводника между ними, и при этом поддерживается надлежащая изоляция.

Как мы уже знаем, информационный сигнал сильно содержит шум и дополнительные искажения, которые могут выходить за пределы допуска логической схемы на выходе во время передачи. Оптические соединители могут использоваться для работы с высоким напряжением как переменного тока, так и постоянного тока .

Конструкция оптопары

Оптопара в основном состоит из инфракрасного светодиода и светочувствительного устройства , которое обнаруживает излучаемый инфракрасный луч. Полупроводниковое светочувствительное устройство может быть фотодиодом, фототранзистором, парой Дарлингтона, SCR или TRIAC.

Давайте посмотрим на основную схему оптопары:

Инфракрасный светодиод и светочувствительное устройство упакованы в одну упаковку.Светодиод находится на стороне входа, а светочувствительный материал размещен на стороне выхода. Сопротивление подключается в начале цепи, которое используется для ограничения тока, а другое сопротивление подключается между напряжением питания и выводом коллектора.

Прежде чем продолжить, давайте посмотрим на описание контактов оптопары:

  • Контакт 1: Анод
  • Контакт 2: Катод
  • Контакт 3: Земля
  • Контакт 4: Излучатель
  • Контакт 5: Коллектор
  • Контакт 6: База

Базовый вывод фототранзистора доступен извне.Один фототранзистор используется на выходном каскаде простой развязывающей оптопары.

Работа оптопары

Оптопара представляет собой комбинацию светодиода и фотодиода, упакованных в один корпус. Как мы видим на приведенной ниже принципиальной схеме, когда на входной стороне оптопары появляется высокое напряжение, через светодиод начинает течь ток.

Из-за этого тока светодиод будет излучать свет. Этот излучаемый свет, когда падает на фототранзистор, вызывает прохождение тока через него.Ток , протекающий через фототранзистор, является прямо пропорциональным подаваемому входному напряжению . Входное сопротивление, расположенное в начале цепи, уменьшит количество тока, протекающего через светодиод, если его значение будет увеличено. Поскольку светодиод светится из-за этого тока, следовательно, когда ток будет низким, так же, как и интенсивность света светодиода.

Как мы уже обсуждали ранее, сила света, излучаемого светодиодом, будет равна соответствующему току, протекающему через фототранзистор.Это означает, что свет низкой интенсивности , излучаемый светодиодом, вызовет протекание тока низкого уровня через фототранзистор. Таким образом, на выводе коллектор-эмиттер транзистора генерируется изменяющееся напряжение.

Таким образом, входящий сигнал от входной цепи попадает в выходную цепь.

Типы оптопары

Различные типы оптопары показаны на схеме, приведенной ниже:

Для использования в цепях постоянного тока в основном используются фототранзисторы и фотоприборы Дарлингтона.В случае переменного тока используются схемы с питанием, фото-SCR и фото-TRIAC.

Существуют и другие формы конфигураций источник-датчик, такие как светодиодный лазер, светодиодный фотодиод, отражающий оптопара, щелевой оптрон и т. Д.

Преимущества

  1. Оптопары позволяют легко взаимодействовать с логическими схемами.
  2. Гальваническая развязка обеспечивает защиту цепи.
  3. Позволяет передавать широкополосный сигнал.
  4. Это небольшое по размеру и легкое устройство.

Недостатки

  1. Скорость работы оптопар низкая.
  2. В случае сигнала очень высокой мощности может возникнуть возможность объединения сигналов.

Приложения

  1. Используется в инверторах большой мощности.
  2. Используется в прерывателях большой мощности.
  3. В преобразователях переменного тока в постоянный широко используются оптопары.

Компоновка оптопары в основном зависит от напряжения изоляции.Чтобы обеспечить соответствующее напряжение пробоя, оптический канал делают как можно более тонким.

.
Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *