Pāris "optiskais emitētājs - optiskais uztvērējs" jau sen tiek izmantots elektronikā un elektrotehnikā. Elektronisko komponentu, kurā uztvērējs un raidītājs atrodas vienā korpusā un starp tiem ir optiskā saite, sauc par optronu vai optronu.
Saturs
Optocoupler ierīce
Optocoupler sastāv no optiskā raidītāja (emitera), optiskā kanāla un optiskā signāla uztvērēja. Fotoraidītājs pārveido elektrisko signālu optiskā. Raidītājs vairumā gadījumu ir LED (agrākajos modeļos tika izmantotas kvēlspuldzes vai neona spuldzes). Gaismas diožu izmantošana ir bezprincipiāla, taču tās ir izturīgākas un uzticamākas.
Optiskais signāls tiek pārraidīts pa optisko kanālu uz uztvērēju. Kanāls ir aizvērts - kad raidītāja izstarotā gaisma nepārsniedz optrona korpusu. Pēc tam uztvērēja ģenerētais signāls tiek sinhronizēts ar signālu raidītāja ieejā.Šādi kanāli ir gaiss vai piepildīti ar īpašu optisko savienojumu. Ir arī "garie" optoelementi, kuru kanāls atrodas optiskā šķiedra.
Ja optrons ir konstruēts tā, ka radītais starojums, pirms sasniedz uztvērēju, atstāj korpusu, šādu kanālu sauc par atvērtu. Ar to jūs varat reģistrēt šķēršļus, kas rodas gaismas stara ceļā.
Fotodetektors veic optiskā signāla apgrieztu pārveidošanu elektriskajā. Visbiežāk izmantotie uztvērēji ir:
- Fotodiodes. Parasti izmanto digitālajās sakaru līnijās. Viņu izcelsme ir neliela.
- Fotorezistori. To iezīme ir uztvērēja divvirzienu vadītspēja. Strāva caur rezistoru var iet jebkurā virzienā.
- Fototranzistori. Šādu ierīču iezīme ir iespēja kontrolēt tranzistora strāvu gan caur optoraidītāju, gan caur izejas ķēdi. Izmanto gan lineārajā, gan digitālajā režīmā. Atsevišķs optoelementu veids - ar paralēli pretstatītiem lauka efekta tranzistoriem. Šādas ierīces sauc cietvielu releji.
- Fototiristori. Šādi optroni izceļas ar palielinātu izejas ķēžu jaudu un to pārslēgšanas ātrumu, šādas ierīces ir ērti izmantot spēka elektronikas elementu vadīšanai. Šīs ierīces tiek klasificētas arī kā cietvielu releji.
Plaši ir kļuvušas optocoupler mikroshēmas - optoelementu komplekti ar siksnu vienā iepakojumā. Šādas optrones tiek izmantotas kā komutācijas ierīces un citiem mērķiem.
Priekšrocības un trūkumi
Pirmā optisko instrumentu priekšrocība ir mehānisko detaļu trūkums.Tas nozīmē, ka darbības laikā nav berzes, nodiluma, kontaktu dzirksteļošanas, kā tas ir elektromehāniskajos relejos. Atšķirībā no citām signālu galvaniskās izolācijas ierīcēm (transformatori u.c.), optrones var darboties ļoti zemās frekvencēs, ieskaitot līdzstrāvu.
Turklāt optiskās izolācijas priekšrocība ir ļoti zemā kapacitatīvā un induktīvā savienošana starp ieeju un izvadi. Sakarā ar to tiek samazināta impulsu un augstfrekvences traucējumu pārraides iespējamība. Mehāniskā un elektriskā savienojuma trūkums starp ieeju un izeju nodrošina dažādus tehniskos risinājumus bezkontakta vadības un komutācijas ķēžu izveidei.
Neskatoties uz reālo dizainu ierobežojumiem attiecībā uz ieejas un izejas spriegumu un strāvu, teorētiski nav būtisku šķēršļu šo raksturlielumu palielināšanai. Tas ļauj izveidot optopārvadus gandrīz jebkuram uzdevumam.
Optocoupleru trūkumi ietver vienvirziena signāla pārraidi - nav iespējams pārraidīt optisko signālu no fotodetektora atpakaļ uz raidītāju. Tas apgrūtina atgriezeniskās saites organizēšanu atbilstoši uztverošās ķēdes reakcijai uz raidītāja signālu.
Uztvērējas daļas reakciju var ietekmēt ne tikai mainot raidītāja starojumu, bet arī ietekmējot kanāla stāvokli (trešās puses objektu izskats, kanāla vides optisko īpašību maiņa utt.). Šāda ietekme var būt arī neelektriska. Tas paplašina optronu izmantošanas iespējas. Un nejutīgums pret ārējiem elektromagnētiskajiem laukiem ļauj izveidot datu pārraides kanālus ar augstu trokšņu noturību.
Optocoupleru galvenais trūkums ir zemā energoefektivitāte, kas saistīta ar signāla zudumiem dubultās signāla pārveidošanas laikā. Arī trūkums ir augsts raksturīgā trokšņa līmenis. Tas samazina opto savienotāju jutību un ierobežo to pielietojuma jomu, ja nepieciešams strādāt ar vājiem signāliem.
Lietojot optronus, jāņem vērā arī temperatūras ietekme uz to parametriem - tā ir būtiska. Turklāt optocoupleru trūkumi ietver ievērojamu elementu degradāciju darbības laikā un zināmu tehnoloģiju trūkumu ražošanā, kas saistīts ar dažādu pusvadītāju materiālu izmantošanu vienā iepakojumā.
Optocoupleru raksturojums
Optocoupler parametrus iedala divās kategorijās:
- raksturojot ierīces īpašības signāla pārraidīšanai;
- kas raksturo ieejas un izejas atsaisti.
Pirmā kategorija ir pašreizējā pārskaitījuma koeficients. Tas ir atkarīgs no gaismas diodes izstarojuma, uztvērēja jutības un optiskā kanāla īpašībām. Šis koeficients ir vienāds ar izejas strāvas attiecību pret ieejas strāvu un lielākajai daļai optronu veidu ir 0,005 ... 0,2. Tranzistora elementiem pārraides koeficients var sasniegt 1.
Ja mēs uzskatām optronu kā četru polu, tad tā ieejas raksturlielumu pilnībā nosaka opto-emitera (LED) CVC, bet izeju - uztvērēja raksturlielums. Caurlaides raksturlielums parasti ir nelineārs, bet dažiem optoelementu veidiem ir lineāras sekcijas. Tātad daļai no diodes optrona CVC ir laba linearitāte, taču šī sadaļa nav īpaši liela.
Rezistoru elementi tiek novērtēti arī pēc tumšās pretestības (ar ieejas strāvu, kas vienāda ar nulli) un gaismas pretestības attiecību. Tiristoru optoelementiem svarīgs raksturlielums ir minimālā turēšanas strāva atvērtā stāvoklī. Nozīmīgi optrona parametri ietver arī augstāko darba frekvenci.
Galvaniskās izolācijas kvalitāti raksturo:
- ieejas un izejas maksimālais spriegums;
- maksimālais spriegums starp ieeju un izeju;
- izolācijas pretestība starp ieeju un izeju;
- caurlaides spēja.
Pēdējais parametrs raksturo elektriskā augstfrekvences signāla spēju izplūst no ieejas uz izeju, apejot optisko kanālu, caur kapacitāti starp elektrodiem.
Ir parametri, kas ļauj noteikt ievades ķēdes iespējas:
- augstākais spriegums, ko var pievadīt ieejas spailēm;
- maksimālā strāva, ko gaismas diode var izturēt;
- sprieguma kritums pāri LED pie nominālās strāvas;
- Apgrieztās ieejas spriegums - apgrieztās polaritātes spriegums, ko gaismas diode var izturēt.
Izejas ķēdei šie raksturlielumi būs maksimālā pieļaujamā izejas strāva un spriegums, kā arī noplūdes strāva pie nulles ieejas strāvas.
Optocouplers darbības joma
Optocouplers ar slēgtu kanālu tiek izmantoti, ja kādu iemeslu dēļ (elektriskā drošība utt.) ir nepieciešama atsaiste starp signāla avotu un uztveršanas pusi. Piemēram, atgriezeniskās saites cilpās komutācijas barošanas avoti - signāls tiek ņemts no PSU izejas, padots uz izstarojošo elementu, kura spilgtums ir atkarīgs no sprieguma līmeņa.Signāls atkarībā no izejas sprieguma tiek ņemts no uztvērēja un tiek padots uz PWM kontrolieri.
Attēlā parādīts datora barošanas ķēdes fragments ar diviem optroniem. Augšējais optiskais savienotājs IC2 rada atgriezenisko saiti, kas stabilizē spriegumu. Apakšējais IC3 darbojas diskrētā režīmā un piegādā strāvu PWM mikroshēmai, kad ir gaidstāves spriegums.
Dažās standarta elektriskās saskarnēs ir nepieciešama arī galvaniskā izolācija starp avotu un uztvērēju.
Ierīces ar atvērtu kanālu tiek izmantotas, lai izveidotu sensorus jebkuru objektu noteikšanai (papīra klātbūtne printerī), gala slēdži, skaitītāji (objekti uz konveijera, zobratu zobu skaits peles manipulatoros) utt.
Cietvielu releji tiek izmantoti tajā pašā vietā, kur parastie releji - signālu pārslēgšanai. Bet to izplatīšanos kavē kanāla lielā pretestība atvērtā stāvoklī. Tie tiek izmantoti arī kā jaudas cietvielu elektronikas elementu draiveri (jaudīgi lauka efekti vai IGBT tranzistori).
Optocoupler tika izstrādāts vairāk nekā pirms pusgadsimta, bet tā plaša izmantošana sākās pēc tam, kad gaismas diodes kļuva pieejamas un lētas. Tagad tiek izstrādāti visi jaunie optoelementu modeļi (lielākoties uz tiem balstītas mikroshēmas), un to darbības joma tikai paplašinās.
Līdzīgi raksti:
