Perechea „emițător optic – receptor optic” a fost folosită mult timp în electronică și inginerie electrică. O componentă electronică în care receptorul și emițătorul sunt situate în aceeași carcasă și există o legătură optică între ele se numește optocupler sau optocupler.
Conţinut
Dispozitiv optocupler
Optocuplerul constă dintr-un transmițător optic (emițător), un canal optic și un receptor de semnal optic. Fototransmițătorul transformă semnalul electric într-unul optic. Emițătorul în cele mai multe cazuri este un LED (modelele anterioare foloseau becuri cu incandescență sau neon). Utilizarea LED-urilor este lipsită de principii, dar sunt mai durabile și mai fiabile.
Semnalul optic este transmis printr-un canal optic către receptor. Canalul este închis - atunci când lumina emisă de transmițător nu depășește corpul optocuplerului. Apoi semnalul generat de receptor este sincronizat cu semnalul de la intrarea emițătorului.Astfel de canale sunt aer sau umplute cu un compus optic special. Există și optocuple „lungi”, canalul în care se află fibra optica.
Dacă optocuplerul este proiectat în așa fel încât radiația generată, înainte de a ajunge la receptor, părăsește carcasa, un astfel de canal se numește deschis. Cu acesta, puteți înregistra obstacolele care apar pe calea fasciculului de lumină.
Fotodetectorul realizează conversia inversă a semnalului optic într-unul electric. Cele mai utilizate receptoare sunt:
- Fotodiode. Folosit de obicei în liniile de comunicații digitale. Linia lor este mică.
- Fotorezistente. Caracteristica lor este conductivitatea în două sensuri a receptorului. Curentul prin rezistor poate merge în orice direcție.
- Fototranzistoare. O caracteristică a unor astfel de dispozitive este capacitatea de a controla curentul tranzistorului atât printr-un optotransmițător, cât și prin circuitul de ieșire. Folosit atât în modul liniar, cât și în cel digital. Un tip separat de optocuptoare - cu tranzistoare cu efect de câmp paralel-opus. Se numesc astfel de dispozitive relee cu stare solidă.
- Fototiristoare. Astfel de optocuple se disting prin puterea crescută a circuitelor de ieșire și viteza lor de comutare; astfel de dispozitive sunt utilizate în mod convenabil în controlul elementelor electronice de putere. Aceste dispozitive sunt, de asemenea, clasificate ca relee cu stare solidă.
Microcircuitele optocuplere au devenit larg răspândite - ansambluri de optocuple cu bandă într-un singur pachet. Astfel de optocuple sunt utilizate ca dispozitive de comutare și în alte scopuri.
Avantaje și dezavantaje
Primul avantaj remarcat la instrumentele optice este absența pieselor mecanice.Aceasta înseamnă că în timpul funcționării nu există frecare, uzură, scântei ale contactelor, ca în releele electromecanice. Spre deosebire de alte dispozitive pentru izolarea galvanică a semnalelor (transformatoare etc.), optocuplele pot funcționa la frecvențe foarte joase, inclusiv în curent continuu.
În plus, avantajul izolației optice este cuplajul capacitiv și inductiv foarte scăzut între intrare și ieșire. Datorită acestui fapt, probabilitatea de transmitere a impulsurilor și a interferențelor de înaltă frecvență este redusă. Absența conexiunii mecanice și electrice între intrare și ieșire oferă posibilitatea unei varietăți de soluții tehnice pentru crearea de circuite de comandă și comutare fără contact.
În ciuda limitării din proiectele reale în ceea ce privește tensiunea și curentul pentru intrare și ieșire, în teorie nu există obstacole fundamentale pentru creșterea acestor caracteristici. Acest lucru vă permite să creați optocuple pentru aproape orice sarcină.
Dezavantajele optocuplelor includ transmisia unidirecțională a semnalului - este imposibil să transmiteți un semnal optic de la fotodetector înapoi la transmițător. Acest lucru face dificilă organizarea feedback-ului în funcție de răspunsul circuitului de recepție la semnalul emițătorului.
Reacția părții receptoare poate fi influențată nu numai prin modificarea radiației emițătorului, ci și prin influențarea stării canalului (apariția obiectelor terțe, modificarea proprietăților optice ale mediului de canal etc.). Un astfel de impact poate fi și de natură neelectrică. Acest lucru extinde posibilitățile de utilizare a optocuplelor. Iar insensibilitatea la câmpurile electromagnetice externe vă permite să creați canale de transmisie a datelor cu imunitate ridicată la zgomot.
Principalul dezavantaj al optocuplelor este eficiența energetică scăzută asociată cu pierderile de semnal în timpul conversiei semnalului dublu. De asemenea, un dezavantaj este nivelul ridicat de zgomot intrinsec. Acest lucru reduce sensibilitatea optocuplelor și limitează domeniul de aplicare a acestora acolo unde este nevoie de lucru cu semnale slabe.
Atunci când utilizați optocuple, trebuie luată în considerare și influența temperaturii asupra parametrilor acestora - este semnificativă. În plus, dezavantajele optocuplelor includ o degradare vizibilă a elementelor în timpul funcționării și o anumită lipsă de tehnologie în producție asociată cu utilizarea diferitelor materiale semiconductoare într-un singur pachet.
Caracteristicile optocuplelor
Parametrii optocuplerului se împart în două categorii:
- caracterizarea proprietăților dispozitivului de a transmite un semnal;
- care caracterizează decuplarea dintre intrare și ieșire.
Prima categorie este coeficientul de transfer curent. Depinde de emisivitatea LED-ului, de sensibilitatea receptorului și de proprietățile canalului optic. Acest coeficient este egal cu raportul dintre curentul de ieșire și curentul de intrare și pentru majoritatea tipurilor de optocuptoare este 0,005 ... 0,2. Pentru elementele tranzistoare, coeficientul de transfer poate ajunge la 1.
Dacă luăm în considerare optocuplerul ca fiind cu patru poli, atunci caracteristica sa de intrare este complet determinată de CVC-ul opto-emițătorului (LED), iar ieșirea - de caracteristica receptorului. Caracteristica de trecere este în general neliniară, dar unele tipuri de optocuple au secțiuni liniare. Deci, o parte din CVC al optocuplerului cu diodă are o liniaritate bună, dar această secțiune nu este foarte mare.
Elementele rezistoare sunt, de asemenea, evaluate prin raportul dintre rezistența la întuneric (cu un curent de intrare egal cu zero) și rezistența la lumină. Pentru optocuptoarele cu tiristoare, o caracteristică importantă este curentul minim de menținere în stare deschisă. Parametrii semnificativi ai optocuplerului includ și cea mai mare frecvență de operare.
Calitatea izolației galvanice se caracterizează prin:
- tensiunea maximă aplicată la intrare și la ieșire;
- tensiune maximă între intrare și ieșire;
- rezistența de izolație între intrare și ieșire;
- capacitatea de trecere.
Ultimul parametru caracterizează capacitatea unui semnal electric de înaltă frecvență de a se scurge de la intrare la ieșire, ocolind canalul optic, prin capacitatea dintre electrozi.
Există parametri care vă permit să determinați capacitățile circuitului de intrare:
- cea mai mare tensiune care poate fi aplicată la bornele de intrare;
- curentul maxim pe care îl poate suporta LED-ul;
- căderea de tensiune pe LED-ul la curentul nominal;
- Tensiune de intrare inversă - Tensiune de polaritate inversă la care LED-ul o poate rezista.
Pentru circuitul de ieșire, aceste caracteristici vor fi curentul și tensiunea maxim admisibile de ieșire, precum și curentul de scurgere la curentul de intrare zero.
Domeniul de aplicare al optocuplelor
Optocuplele cu canal închis sunt utilizate acolo unde, din anumite motive (securitate electrică etc.), este necesară decuplarea între sursa semnalului și partea de recepție. De exemplu, în buclele de feedback comutarea surselor de alimentare - semnalul este preluat de la ieșirea PSU, alimentat la elementul radiant, a cărui luminozitate depinde de nivelul tensiunii.Un semnal în funcție de tensiunea de ieșire este preluat de la receptor și transmis controlerului PWM.
În figură este prezentat un fragment al circuitului de alimentare a unui computer cu două optocuple. Optocuplerul superior IC2 creează un feedback care stabilizează tensiunea. IC3 de jos funcționează în modul discret și furnizează energie cipului PWM atunci când este prezentă tensiunea de așteptare.
Izolarea galvanică între sursă și receptor este, de asemenea, cerută de unele interfețe electrice standard.
Dispozitivele cu canal deschis sunt folosite pentru a crea senzori pentru detectarea oricăror obiecte (prezența hârtiei în imprimantă), întrerupătoare de limită, contoare (obiecte de pe transportor, numărul de dinți angrenaj în manipulatoarele mouse-ului) etc.
Releele cu stare solidă sunt utilizate în același loc ca releele convenționale - pentru comutarea semnalelor. Dar propagarea lor este împiedicată de rezistența ridicată a canalului în stare deschisă. Ele sunt, de asemenea, utilizate ca drivere pentru elementele electronice cu stare solidă de putere (tranzistoare puternice cu efect de câmp sau IGBT).
Optocuplerul a fost dezvoltat cu mai bine de jumătate de secol în urmă, dar utilizarea sa pe scară largă a început după ce LED-urile au devenit accesibile și ieftine. Acum sunt dezvoltate toate modelele noi de optocuple (în cea mai mare parte, microcircuite bazate pe acestea), iar domeniul de aplicare a acestora este doar în extindere.
Articole similare:
