Оптопара применение: Оптопара принцип работы, оптроны принцип работы

Где применяются оптроны

Первые разработки оптронов были выполнены в середине 50-годов прошлого столетия.

Поначалу принципы преобразования электрических сигналов в оптические и обратно не были отнесены к возможности дальнейшего промышленного применения. Они скорее воспринимались, как теоретические изыскания.

Связано это было с несовершенством на тот период излучателей и фоторезисторов в качестве приемников.

Однако уже через десяток лет были разработаны высокоэффективные и быстродействующие фотодиоды и фототранзисторы, которые стали основой современной оптроники.

И началась эпоха развития и применения оптронов – так называют оптоэлектронные приборы, у которых присутствует излучатель и фотоприемник, имеющие электрическую и оптическую связь между собой.

Таким образом оптический сигнал может преобразовываться в электрический и наоборот.

Оптроны бывают:

• резисторные,
• диодные и
• транзисторные.

По своей физической сути транзисторные оптроны или оптопары представляют собой своеобразные электронные приборы, в которых объединены в одном корпусе излучатель света и фототранзистор, принимающий световые сигналы.

Такие оптопары с фототранзисторами, впрочем, как и другие виды оптронов, применяются преимущественно для организации гальванических развязок в низковольтных сигнальных и коммутационных цепях.

При гальванической развязке управляющий сигнал передается бесконтактным способом. Достаточно часто оптопары используют для передачи информации.

Еще одним важным применением оптронов считается бесконтактное управление цепями с высоким напряжением и сильными токами.

Эта функция используется при запуске мощных тиристоров, симисторов, триаков и других сильноточных полупроводниковых приборов. В этом качестве оптроны превосходят по параметрам надежности и долговечности любые электромагнитные аналоги.

Основными преимуществами оптронов являются бесшумное замыкание неограниченное количество раз, длительный срок эксплуатации, высокая надежность, отсутствие чувствительности к вибрации, ударным воздействиям и пространственному положению при монтаже.

С помощью оптопар осуществляется безопасное управление сильными токами при помощи слабых токов включения.

Повышение эффективности и надежности устройств автоматики, электросвязи, радиотехники и электроники осуществляется путем замены электромеханических деталей на быстродействующие изделия оптроники.

При написании статьи использованы материалы портала http://www.radioelementy.ru/.

Транзисторные оптопары

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Транзисторная оптопара выполняется с фотоприемным элементом на базе фототранзистора. Как правило, в оптопарах используются фототранзисторы со структурой п-р-п на основе кремния, чувствительные к излучению с длиной волны около 1 мкм. Излучателями служат арсенидо-галлиевые диоды или диоды на тройном соединении, максимум спектрального из­лучения которых лежит вблизи области наибольшей чувствительности фототранзистора. Семейство выходных характеристик транзисторной оптопары приведено на рис. 7.11.

Излучательный диод конструктивно расположен так, что большая часть света направля­ется на базовую область фототранзистора.ф.6.>

Где /ф 6 — генерированный излучением фототок в базе фоторезистора; И21 — коэффициент усиления тока.

Таким образом, фоторезистор обладает внутренним усилением фототока К). Наиболь­шим внутренним усилением обладают оптопары, использующие составные фототранзисто­ры. Их коэффициент усиления фототока К1 может превышать 1000, однако они имеют худ­шие показатели быстродействия. Быстродействие обычных диодно-транзисторных оптопар /„ = 2… 4 мкс.

Оптопары можно характеризовать параметром, называемым добротностью:

Б = *Л-

Этот параметр для различных типов оптопар остается постоянным в широком интерва­ле значений входных токов. Значение добротности зависит от напряжения изоляции При ит= 1…5 кВ,{Э = 0,1…1%мкс-1.

Основные параметры и характеристики входной цепи транзисторной оптопары анало­гичны параметрам диодных оптопар, так как в них используются сходные излучатели. Выходные характеристики существенно отличаются от аналогичных оптопар. Зависимость коэффициента передачи тока от входного тока отклоняется от линейной, причем тем боль­ше, чем больше входной ток и чем лучше усилительные свойства фоторезистора.

Типичные зависимости К, от входного тока различных транзисторных оптопар приведе­ны на рис. 7.12. Здесь кривая 1 соответствует диодно-транзисторной оптопаре, кривая 2 — транзисторной оптопаре, кривая 3 — оптопаре с составным фоторезистором. Нелинейность характеристик объясняется тем, что коэффициент усиления транзистора зависит от тока ба­зы и поэтому не является постоянной величиной.

Рис. 7.12. Зависимости коэффициента передачи по току от входного тока для транзисторных оптопар

При больших входных токах коэффициент передачи по току с повышением температу­ры линейно уменьшается, как и в случае диодных оптопар. В общем случае характер кри­вых К, =/(7) определяется зависимостью от температуры квантового выхода как светодиода, так и транзистора. Повышение температуры приводит к возрастанию инерционности тран­зисторных оптопар. Одновременно увеличивается и темновой ток фотоприемника. Это осо­бенно сильно сказывается в случае оптопар с составными фоторезисторами: при увеличе­нии температуры от 25 до 100°С их темновой ток возрастает в 104…105 раз, а у обычных оптопар — в 102… 103 раз.

Транзисторные оптопары находят применение в аналоговых и цифровых коммутаторах, оптоэлектронных реле, в линиях связи для гальванической развязки и др.

Приобретаем- купить осциллограф, тепловизоры, источники питания

Тепловизионные камеры. Тепловизоры testo — полупроводниковые приборы, наделённые возможностью наблюдать тепловое либо световое излучение. Тепловизор flir на собственном мониторе изображает оранжевыми, красными и желтыми цветами объекты, источающие тепло, но прохладные …

Условные обозначения

А, Механический эквивалент света К Постоянная Больцмана В Сииий свет К, Коэффициент передачи по току С Скорость света в свободном простран­ Ку Коэффициент световой эффективности Стве Коэффициент усиления лазера Ся …

Список Сокращений

А Номинальная числовая апертура Мэв Монохроматическая АВС Активный волоконный световод Электромагнитная волна АИМ Амплитудно-импульсная Нжк Нематические жидкие кристаллы Модуляция Ов Оптическое волокно АПП Абсолютный показатель ОЗУ Оперативное запоминающее Преломления Устройство …

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 U_из (максимально допустимое постоянное напряжение между входом и выходом оптопары) у них составляет 100—500 В. У оптронов с воздушным зазором значение U_из 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 f_гр. В зависимости от типа оптрона f_гр = 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 I_т на выходе фотоприемника,

. (2.3)

Для большинства типов оптопар k_I 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 — U_из, а также пиковое, максимально допустимое при работе с переменными сигналами). Кроме того, оптопары характеризуются сопротивлением изоляции R_из и проходной емкостью С_пр (емкостью между входом и выходом оптопары). У большинства типов оптопар R_из 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 С_пр (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 R_из и снизить С_пр 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 U_иэ, R_из, С_пр, 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 R_T (темнового) до R_CE (при освещении). Одним из основных параметров резисторных оптопар является отношение этих сопротивлений; значение R_Т/R_CB 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 R_CB снижается (рис. 2.3, а). Повышение температуры Т ведет к снижению подвижности свободных носителей заряда в фоторезисторе, увеличению R_св, а следовательно, к спаду I₂ при том же напряжении U₂ на выходе (рис. 2.3,6). С ростом Т не только происходит увеличение R_CB, но снижается и R_T (растет концентрация собственных носителей заряда в зоне проводимости полупроводника). При этом отношение R_Т/R_CB 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 k_I 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 R_т≈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 k_I от входного тока I₁, напряжения на выходе U₂ и температуры Т. Из рис. 2.4, а следует, что у диодных оптопар k_I остается практически постоянным в широком диапазоне входных токов, что обусловлено постоянством в этом диапазоне квантового выхода η_к светодиода. Подъем в области малых и спад в области больших входных токов (когда начинает сказываться разогрев прибора) также определяется поведением η_к. 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 k_I для диодной оптопары.

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

. (2.5)

(Здесь η_ке — 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 = Ф₂/Ф₁ — 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:

k_I ≈ η_кеk^/.

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

Помимо зависимости k_I (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 k_I 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 t_п 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 R_н и выходной емкостью оптопары С₂. Так, при R_н =(2÷20) кОм и С₂ = 50 пФ постоянная времени перезарядки равна 0,1—1 мкс, что сравнимо по величине с предельными значениями t_п.

Диодные оптопары могут работать в вентильном режиме, когда оптрон выступает в качестве источника питания. Оптроны, предназначенные для этих целей, имеют повышенное (3–4%) значение k_I, 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 (U_из = 20≈50 кВ) и малой проходной емкостью (С_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 k_I может достигать 1000%), зато диодно-транзисторные имеют большее быстродействие (t_п = 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 U_из). Для транзисторных оптронов U_из = 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 k_I 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 k_I 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 k_I (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 k_I 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 k_I 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 k_I в достаточно широком диапазоне токов). Этому требованию в наибольшей мере отвечают диодные оптроны, хотя и у них интервал значений I₁, при которых k_I 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 k_I первого канала оптрона примерно компенсируется уменьшением k_I 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.

Энергетическое образование

8. Выходные устройства ПЛК

Выходные устройства предназначены для передачи выходного управляющего сигнала на исполнительные механизмы либо для передачи данных на регистрирующее устройство.

Выходные устройства дискретного (ключевого) типа

К выходным устройствам дискретного (ключевого) типа относятся:

• электромагнитное реле;
• транзисторная оптопара;
• симисторная оптопара;
• выход для управления внешним твердотельным реле.

Выходное устройство ключевого типа используется для управления (включения/выключения) нагрузкой либо непосредственно, либо через более мощные управляющие элементы, такие как пускатели, твердотельные реле, тиристоры или симисторы.

Цепи ключевых выходных устройств имеют гальваническую изоляцию от схемы прибора. Исключение составляет выход «Т» для управления внешним твердотельным реле. В этом случае гальваническую изоляцию обеспечивает само твердотельное реле.

Транзисторная оптопара (выход «К»). Транзисторная оптопара применяется, как правило, для управления низковольтным электромагнитным или твердотельным реле (до 60 В постоянного тока). Во избежание выхода из строя транзистора из-за большого тока самоиндукции параллельно обмотке реле Р1 необходимо устанавливать диод VD1, рассчитанный на ток 1 А и напряжение 100 В.

Транзисторная оптопара (выход «К»).

Симисторная оптопара (выход «С»). Оптосимистор включается в цепь управления мощного симистора через ограничивающий резистор R1. Значение сопротивления резистора определяет величина тока управления симистора.

Симисторная оптопара (выход «С»).

Оптосимистор может также управлять парой встречно-параллельно включенных тиристоров VS1 и VS2. Для предотвращения пробоя тиристоров из-за высоковольтных скачков напряжения в сети к их выводам рекомендуется подключать фильтрующую RC-цепочку (R2 C1). Оптосимистор имеет встроенное устройство перехода через ноль и поэтому обеспечивает полное открытие подключаемых тиристоров без применения дополнительных устройств.

Оптосимистор.

Выход «Т» для управления твердотельным реле. Выход «Т» для управления твердотельным реле выполнен на основе транзисторного ключа n–p–n типа, который имеет два состояния: низкий логический уровень соответствует напряжениям 0…1 В, высокий уровень – напряжениям 4…6 В. Выход «Т» используется для подключения твердотельного реле, рассчитанного на управление постоянным напряжением 4…6 В с током управления не более 100 мА. Внутри выходного элемента устанавливается ограничительный резистор Rогр номиналом 100 Ом.

Выход «Т» для управления твердотельным реле.

Выходное устройство аналогового типа

Выходное устройство аналогового типа – это цифроаналоговый преобразователь, который формирует токовую петлю 4…20 мА или напряжение 0…10 В и, как правило, используется для управления электронными регуляторами мощности.

Цепи аналоговых выходных устройств имеют гальваническую изоляцию от схемы прибора.

ЦАП 4…20 мА (выход «И»). Для работы ЦАП 4…20 мА используется внешний источник питания постоянного тока, номинальное значение напряжения $U_п$ которого рассчитывается следующим образом:

$$U_{п.min} где $U_{п.min}$ и $U_{п.max}$ – минимально и максимально допустимое напряжения питания, соответственно, В; $R_н$ – сопротивление нагрузки ЦАП, Ом.

Если по какой-либо причине напряжение источника питания ЦАП, находящегося в распоряжении пользователя, превышает расчетное значение $U_{п.max}$, то последовательно с нагрузкой необходимо включить ограничительный резистор, сопротивление которого Rогр рассчитывается по формулам:

$$R_{огр.min} где $R_{огр}$, $R_{огр.min}$ и $R_{огр.max}$ – номинальное, минимально и максимально допустимое значения сопротивления ограничительного резистора, соответственно, Ом; $I_{ЦАП.max}$ – максимальный выходной ток ЦАП, мА.

Напряжение источника питания ЦАП 4…20 мА обычно не должно превышать 36 В.

ЦАП 4…20 мА (выход «И»). ЦАП 4…20 мА (выход «И») с ограничительным резистором.

ЦАП 0…10 В (выход «У»). Для работы ЦАП 0…10 В используется внешний источник питания постоянного тока, номинальное значение напряжения которого $U_п$ находится в диапазоне 15…32 В. Сопротивление нагрузки $R_н$, подключаемой к ЦАП, должно быть не менее 2 кОм.

Напряжение источника питания ЦАП 0…10 В обычно не должно превышать 36 В.

ЦАП 0…10 В (выход «У»).

Технические характеристики выходных устройств представлены в таблице ниже

Обозначение	Тип выходного устройства (ВУ)	Электрические характеристики
Р	электромагнитное реле	максимальный ток нагрузки – 1 А для ПИД-регулирования, 8 А для сигнализации при напряжении 220 В 50…60 Гц или 30 В пост. тока
К	транзисторная оптопара структуры n–p–n типа	максимальный ток нагрузки – 400 мА при напряжении 60 В постоянного тока
С	симисторная оптопара	максимальный ток нагрузки – 50 мА при напряжении до 240 В(в импульсном режиме частотой 50 Гц с длительностью импульса не более 5 мс — до 0.5 А)
И	цифроаналоговый преобразователь «параметр – ток 4…20 мА»	номинальное сопротивление нагрузки – 0…1000 Ом, напряжение питания 10…30 В пост. тока
У	цифроаналоговый преобразователь «параметр – напряжение 0…10 В»	номинальное сопротивление нагрузки – не менее 2 кОм, напряжение питания 15…32 В
Т	выход для управления твердотельным реле	выходное напряжение 4…6 В, максимальный выходной ток 50 мА

Оптопары, оптроны и оптоэлектронные микросхемы — КиберПедия

Оптопары с открытым каналом, включающие в себя светодиод и фотодиод, часто используются в схемах автоматики как отдельно взятые пары излучатель—фотоприемник. Например, на конвейерах для подсчета деталей, в счетчиках оборотов и для выполнения угловых отсчетов, т.е. в схемах, действующих на принципе прерывания светового луча в момент его пересечения каким-либо предметом или специальной шторкой (пластиной). Для угловых отсчетов применяют диск с отверстиями (окнами) для регистрации числа световых импульсов или их положения.

Примеры конструктивных решений при использовании оптопар приведены на рис. 5.9. В первом случае (а) оптопара используется как датчик для подсчета оборотов или определения скорости вращения маховика с лепестком, перекрывающим кратковременно свет к фотодиоду при каждом обороте. Во втором случае (б) показан сенсорный датчик. При лёгком нажатии на мембрану справа отраженный свет не попадает на фотодиод и датчик регистрирует нажатие.

Рис. 5.9. Схематическое изображение оптопары с открытым каналом (а) и с отражательным каналом (б)

 

Оптопары с открытым оптическим каналом позволяют создавать различные оптоэлектронные датчики и упрощают решение задач контроля параметров различных сред (температуру, давление, влажность, уровень и цвет жидкости, концентрацию пыли, содержание вредных паров, газов и т.п.).

Оптопары применяются также в качестве элементов оптиче­­с­кого бесконтактного управления сильноточными и высоковольт­ными устройствами. На основе оптопар удобно строить узлы запуска мощных тиратронов, распределительных и релейных устройств, устройств коммутации электропитания и т.д. С точки зрения функ­циональных возможностей оптопары позволяют решать те же зада­чи, что и отдельно взятые пары излучатель—фотоприемник, одна­ко на практике они, как правило, более удобны, поскольку в них оптимально подобраны характеристики излучателя и фотоприемника и их взаимное расположение.

Оптроны — это оптопары, выполненные в виде закрытой микро­схемы, включающей в себя излучатель и фотоприемник. Они приме­няются в качестве устройств связи между блоками аппаратуры, на­ходящимися под различными потенциалами, и для сопряжения микросхем, имеющих различные значения электрических уровней. В этих случаях оптрон (оптопара) передает информацию между блоками, не имеющими электрической связи. Условные графические отображения оптронов с фотодиодной (а), фоторезисторной (б), фототранзисторной (в) и фототиристорной (г) оптопар приведены на рис. 5.10. Они хорошо отражают различное конструктивное исполнение оптронов.

 

Рис. 5.10. Условные графические отображения оптронов с фотодиодной (а), фоторезисторной (б), фототранзисторной (в) и фототиристорной (г) оптопар

 

Пример гальванической развязки, реализуемой с помощью оптрона, заложен в конструкциях входных устройств компьютеров, где развязка входной линии с электронной схемой ЭВМ позволяет избежать разрушения элементов схем.
В таких узлах удобно использовать дифференциальные оптопары КОД301А, КОД303А.

Оптроны необходимы для межблочной гальванической развязки в электронной и электротехнической аппаратуре. Другой пример — схемы гальванической развязки двух блоков работающих с разными напряжениями питания. В этом случае сигнал с выхода блока 1 передается на вход блока 2 через диодную оптопару.

Оптроны и оптоэлектронные микросхемы используют в устройствах передачи информации между блоками, не имеющими замкнутых электрических связей. Применение оптронов существенно повышает помехоустойчивость каналов связи, устраняет не­желательное взаимодействие развязываемых устройств по цепям питания и общему проводу. Цепи сопряжения с применением оптопар широко используют в вычислительной, измерительной технике и устройствах автоматики, особенно когда датчики или другие приемные устройства работают в пожаро- и взрывоопасных условиях, где необходимо выполнение требований искробезопа­сности.

Оптроны упрощают проблемы сопряжения блоков, разнородных по функциональному назначению и характеру питания (например, исполнительных механизмов, питаемых от сети переменного тока, и цепей формирования управляющих сигналов, питаемых от низковольтных источников постоянного тока).

Гальваническая развязка часто необходима на практике, например, при использовании медицинской диагностической аппаратуры, в случаях, когда датчик прикрепляется к телу человека, а измерительные устройства, усиливающие и преобразующие сигналы этого датчика, подключены к сети. Так как при неисправности измерительной аппаратуры может возникнуть опасность поражения челове­ка электрическим током, датчик питается от отдельного низковольтного источника (батарейки) и подключается к измерительно­му блоку через развязывающий оптрон или оптопару.

Оптроны и оптопары необходимы и в случаях, когда по требова­ниям повышенной безопасности «незаземленные» входы устройства приходится соединять с «заземляемыми» выходными устройствами. Например, при соединении линии телетайпной связи с дисплеем, автоматическим секретарем, модемом, подключаемым к телефонной линии, и т.п.

В настоящее время выпускаются оптоэлектронные микросхемы, включающие в себя несколько оптронов в сочетании с другими микроэлектронными элементами и обеспечивающие выполнение ряда функциональных задач, в частности включение импульсных усилителей, ключей и цифровых логических элементов. Как правило, оптоэлектронные микросхемы удовлетворяют требованиям совместимости с другими стандартными элементами по уровням входных, выходных сигналов и питающего напряжения.

Выпускаются также микросхемы фотодиодов и фототранзисторов в сочетании с транзисторными каскадами усиления.

 

Оптопара

13.1. Цель работы.

13.1.1. Изучить принцип действия оптопары и ее применение в

схемах автоматики.

13.2. Основные теоретические сведения.

Оптропара это система совместно работающих источника света и приемника света. Источниками света могут быть лампы накаливания, светодиоды видимого и инфракрасного излучения. В качестве фотоприемников используют фотодиоды, тиристоры, фототранзисторы, фотосопротивления.

Оптопары используют в устройствах гальванической развязки, в устройствах сигнализации, в системах дистанционного управления, в системах регулирования освещенности и многих других.

Оптопару помещенную в один корпус называют оптроном. Основное применение оптрона – гальваническая развязка. Важнейшими характеристиками этого устройства являются сопротивление изоляции (10¹²…10¹⁴ Ом) и напряжение пробоя – от десятков до нескольких тысяч Вольт.

При проектировании оптопар и оптронов спектральный состав источника излучения и спектральные свойства приемника стремятся согласовать так, чтобы максимум чувствительности фотоприемника соответствовал диапазону длин волн с наибольшей интенсивностью излучения источника.

Входные и выходные характеристики оптопар зависят от используемых в них источников и приемников излучения.

Важным для оптопар является передаточная характеристика.

Для фоторезисторных оптопар они определяются отношением теплового сопротивления к световому Rт/Cсв, для фотодиодных и фототранзисторных – коэффициентом передачи тока

Ki = iвых/iвх,

а для фототиристорных минимальным входным током обеспечивающим спрямление характеристики.

Инерционность оптопар характеризуется временем включения tвкл и выключения tвыкл в импульсном режиме работы и граничной частотой tгр.

Наиболее быстродействующим являются диодные оптопары, наиболее медленными – фоторезисторные оптопары.

13.3. План работы.

13.3.1. Исследовать в работе оптопару как гальваническую развязку (рис. 13.1.).

Для этого разработайте систему, в которой электродвигатель включается при достижении предельной температуры. При этом должна отсутствовать электрическая связь между объектом управления (электродвигатель) и измерительным устройством. При разработке используйте транзисторы VT1 — для включения лампы, VT2 — для включения двигателя, компараторы CA1 и СА2, фоторезисторы.

Рис. 13.2.

14. Лабораторная работа N14

СВОЙСТВА СИГНАЛОВ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

14.1. Цель работы.

14.1.1. Изучить принцип действия и назначение основных логических элементов.

14.1.2. Основные теоретические сведения.

При автоматизации технологических процессов чтобы операции выполнялись в определенной логической последовательности. Для описания логических операций используется математический аппарат, получивший название алгебры логики. Основным понятием алгебры логики является высказывание, или логическая переменная, которая может принимать только два значения — истинное или ложное. Логическая переменная имеет двойственный характер, поэтому ее можно назвать двоичной переменной и изобразить двоичными цифрами (1 и 0). Функциональную логическую связь можно представить в виде формулы, таблиц истинности или временной диаграммы. Над логическими переменными можно выполнять формальные математические операции: логическое сложение, логическое умножение, логическое отрицание.

Логическое сложение (ИЛИ)- это такая операция, когда результат ложный, если все аргументы ложны; во всех остальных случаях результат истинный. В табл. 14.1. дана запись операции логического сложения в виде таблицы истинности для двух аргументов.

Таблица 14.1.

Х1	Х2	У
0 0 1 1	0 1 0 1	0 1 1 1

Таблица 14.2.

Х1	Х2	У
0 0 1 1	0 1 0 1	0 0 0 1

Логическое умножение (И) это такая логическая операция, когда результат истинный, если все аргументы истинны; во всех остальных случаях результат ложный (табл. 14.2.).

Логическое отрицание (НЕ) это такая логическая операция, когда У истинно, если Х ложно, и наоборот (табл.14.3).

Таблица 14.3.

Логическая операция «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» (= 1) это такая логическая операция, в которой У истинно, когда один из Х истинно, а другой Х ложно, и ложно когда оба Х истинны или ложны (табл.14.4.)

Таблица 14.4.

Х1	Х2	У
0 0 1 1	0 1 0 1	0 1 1 0

14.3. План работы.

14.3.1. Составить экспериментальные таблицы состояний элементов, используемых в стенде И-НЕ, И, ИЛИ, «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», НЕ.

15. Лабораторная работа N15

СХЕМЫ БЛОКА СРАВНЕНИЯ

15.1. Цель работы.

15.1.1. Изучить принцип действия схем блоков сравнения.

15.2. Основные теоретические сведения.

Сравнение кодов двух чисел осуществляют с помощью сравнивающих компараторов. На выходе компаратора появляется логическая единица, если сравниваемые двоичные числа А и В равны. Если А не равно В, то на выходе компаратора будет логический нуль. Для определения равенства двух переменных Х1 и Х2 используется логический элемент, состояние которого определяется в табл. 15.1. В соответствии с табл. 15.1.

Таблица 15.1.

Х1	Х2	У
0 0 1 1	0 1 0 1	1 0 0 1

Такой логический элемент называется ИСКЛЮЧАЮЩИМ ИЛИ — НЕ.

Его реализация на логических элементах НЕ, И, ИЛИ показана на

рис. 15.1.

Рис. 15.1.

Если сравниваемые переменные имеют несколько разрядов, то

подобным образом осуществляется поразрядное сравнение и схема

компаратора примет вид, приведенный на рис. 15.2.

Рис. 15.2.

В лабораторной работе исследуется схема сравнения, представленная на рис. 15.3.

Рис. 15.3.

15.3. План работы.

15.3.1. Используя элементы ИСКЛЮЧАЮЩИМ ИЛИ, НЕ, И синтезируйте схему сравнения двух четырехразрядных двоичных чисел, на

выходе которой при совпадении кодов устанавливается 1, в противоположном случае 0. Сравниваемые коды подавайте с шифраторов D10.

Оптроны

Автор: admin

31 Авг

Используется запатентованная компанией Fairchild технология компланарного корпусирования Optoplanar®.

FODM8061 – 3.3/5-вольтовая высокобыстродействующая оптопара с логическим выходом (открытый коллектор) для изолированной высоконадежной передачи цифровых сигналов между системами.

Данная оптопара состоит из светодиода (AlGaAS) и оптически связанного с ним высокобыстродействующего интегрированного фотоприемника. Выход микросхемы фотоприемника – открытый коллектор со схемой ограничения напряжения на диоде Шоттки. Параметры оптической связи гарантированы в пределах широкого температурного диапазона -40…+110°C. При минимальном входном сигнале 5 мА гарантируется выходной втекающий ток не менее 13 мА.

Читать далее »

• Комментарии отключены
• Рубрика: Fairchild

Автор: admin

31 Авг

Новая 5-выводная транзисторная оптопара в корпусе SOP с большой длиной пути утечки

Новые низкопрофильные оптопары серии EL111x-G идеальны для применения в импульсных источниках питания с температурой печатной платы до 110°C. За счет размещения в корпусе увеличенной длины, они обладают улучшенными характеристиками изоляции, что увеличивает запас безопасности и улучшает гибкость проектирования высококачественной техники. Семейство EL111x-G выполнено на основе выпускаемого Everlight ассортимента высоконадежных оптопар и учитывает требования к современной электронике. Оптопары EL111x-G образованы инфракрасным светодиодом и оптически связанным с ним фототранзисторным приемником. Компаунд не содержит галогенов и оксида сурьмы Sb2O3. Оптопары размещены в 5-выводном корпусе SOP.

Читать далее »

Автор: admin

29 Июн

FOD3180 состоит из алюминий-арсенид-галлиевого (AlGaAs) излучающего светодиода оптически связанного с CMOS-детектором управляющим силовой схемой выходного каскада, реализованного на мощных PMOS и NMOS транзисторах. Оптопара идеально подходит для высокочастотного управления мощными полевыми транзисторами, используемыми в составе плазменных дисплейных панелях (PDPs, Plasma Display Panels), инверторах для управления двигателями и высокоэффективными DC-DC преобразователями.

FOD3180 выпускается в 8-выводном корпусе с двухрядным размещением выводов, совместимом с требованиями по бессвинцовой волновой пайке при 260 °C.

Читать далее »

• Комментарии отключены
• Рубрика: Fairchild

Автор: admin

24 Май

Оптроны уникальной конструкции, сочетающие в себе максимальную изоляцию, совместимость по уровням LVTTL/LVCMOS-сигналов и высокую скорость передачи данных.

ACPL-W60L/K63L – вентили с оптической связью, представляющие собой пару из GaAsP-светодиода и интегрированного фотодетектора с высоким коэффициентом усиления. Выходом детектора является каскад с открытым коллектором, выполненный на транзисторе с переходами Шоттки. Благодаря встроенному экрану гарантируется выполнение требований по устойчивости к синфазным помехам до 15 кВ/мкс. Статические и динамические параметры оптрона позволяют гарантировать надежное функционирование системы при скоростях передачи до 15 Мбит/с и в диапазоне температур от -40 до +85°C.

Читать далее »

• Комментарии отключены
• Рубрика: Avago

Автор: admin

13 Май

В настоящем указании по применению рассматривается устойчивость оптронов компании Avago Technologies к воздействию сильной радиации — например, при применении в военной и космической отраслях. Стандарт MIL-HDBK-279 гласит: «Устройства оптической развязки (то есть оптроны) представляют собой сочетание арсенид-галлиевого светодиода и фотодиода или фототранзистора. Устройства развязки на базе фототранзисторов более чувствительны к радиации, чем соответствующие устройства на базе фотодиодов» [1].

В оптронах Avago Technologies используются фотодиоды, в то время как во многих оптронах других производителей используются фототранзисторы. Несколько оптронов производства Avago были подвергнуты воздействию интенсивного нейтронного и гамма-излучения. Представленные ниже результаты этих испытаний показывают, что оптроны Avago Technologies относительно устойчивы к высоким уровням радиации и, таким образом, хорошо подходят для применения в областях, где требуется радиационная стойкость.

Читать далее »

• Комментарии отключены
• Рубрика: Avago

Автор: admin

13 Апр

Компанией Avago Technologies разработана новая технология ультранизкопотребляющих оптронов. Данное событие означает выход нового поколения элементов оптической развязки, потребляющих на 90 % меньше мощности чем другие стандартные оптроны, доступные сегодня на рынке. Первым выпущенным продуктом является ACPL-M61L в корпусе SO5 с длиной пути утечек (creepage) и зазору гальванической развязки (clearance) 5 мм.

ОЦЕНОЧНАЯ ПЛАТА ПРЕДОСТАВЛЯЕТСЯ БЕСПЛАТНО

Читать далее »

• Комментарии отключены
• Рубрика: Avago

Автор: admin

30 Мар

ACPL-K37x – развитие семейства HCPL-37×0, оптронов порогового детектирования напряжения/тока. На входе применяется буферная схема детектирования, при помощи которой регулируются пороговые уровни. Для потребителя важным преимуществом применения является меньший SSO-8 корпус, позволяющий экономить до 30% площади печатной платы при соблюдении требований по длине пути утечек (creepage) и зазору гальванической развязки (clearance) 8 мм, а также возможность работы при более высоких рабочих напряжениях (1140 В пик.).

Конкурентные преимущества изделий от Avago:

• более широкие диапазоны рабочих температур и рабочих напряжений
• наиболее оптимальное решение в уникальном корпусе для данного сегмента рынка

Читать далее »

• Комментарии отключены
• Рубрика: Avago

Автор: admin

4 Мар

Демонстрационная плата включает в себя цифровые оптопары на 15Мбит/с (ACPL-071L/074L/M75L) и позволяет оценить преимущества оптической изоляции в системах передачи данных в широком диапазоне рабочих температур.

Запросить условия поставки, заказать бесплатные образцы и демонстрационную плату можно здесь.

• Комментарии отключены
• Рубрика: Avago

Автор: admin

10 Фев

FOD0721, FOD0720, FOD0710 – оптроны с логическим вентилем, с высокой помехоустойчивостью и пропускной способностью 25 Мбит/сек

Оптроны характеризуются высокой стойкостью к шуму (20 кВ/мкс), что важно в промышленных коммуникационных применениях

FOD0721, FOD0720 и FOD0710 – логические оптопары, предназначенные для гальванической развязки логических сигналов приемопередатчика на уровне шинного интерфейса.

Оптопары FOD07xx сочетают высокую помехоустойчивость и высокую пропускную способность (25 Мбит/сек), что уменьшает вероятность возникновения ошибок передачи или системных сбоев в промышленных системах, чувствительных к изменениям шума.

Данные устройства доступны в 8-выводном корпусе SOIC, выполненном по разработанной Fairchild технологии Optoplanar®. Данный корпус отличается малой емкостью выводов и величиной ослабления синфазного сигнала не менее 20 кВ/мкс.

Оптопары отвечают жестким требованиям к надежности и испытаны на соответствие стандарту UL1577.

Читать далее »

• Комментарии отключены
• Рубрика: Fairchild

Автор: admin

10 Фев

Оптрон автомобильного исполнения с драйвером затвора IGBT на ток 2.5 Ампера

Автомобильный 2,5-амперный оптоизолированный драйвер затвора компании Avago, обладающий возможностями блокировки при снижения напряжения на затворе и сигнализации о срабатывании защиты от повреждения, позволит сделать более компактной, практичной и простой в реализации защиту от повреждения автомобильных IGBT-транзисторов и, при этом, выполнить требования автомобильного стандарта AEC-Q100.

Драйвер ACPL-36JT (показан на рисунке 1) предназначен для повышения безопасности и усиления электрической изоляции в соответствии со стандартом IEC/EN 60747-5-5 и представляет собой высокоинтегрированное устройство управления силовыми приборами, которое размещено в одном корпусе SO-16 и содержит все необходимые компоненты для реализации полнофункциональной схемы изолированного управления затвором IGBT-транзистора с возможностями защиты от повреждения и сигнализации о срабатывании этой защиты.

Читать далее »

• Комментарии отключены
• Рубрика: Avago

Распространенное применение оптопары в современных электронных схемах

Наиболее частым применением оптопары является изоляция сигналов. Он обеспечивает полную изоляцию, поскольку его входная сторона электрически не связана с выходной стороной. Его входная сторона представляет собой источник света, который обычно представляет собой светодиод, а вторичная сторона — фототранзистор. Фототранзистор — это тоже транзистор, но без тока базы. Отсутствие базового тока делает анализ простым и понятным.

Электроснабжение Хозяйство

Одно из распространенных применений оптопары — связь между первичным и вторичным блоком управления источником питания. В настоящее время совершенствуется конструкция источников питания; он использует цифровое управление для первичного и вторичного. Первичная сторона — это первичная обмотка трансформатора. Любые устройства, у которых заземление используется совместно с первичной обмоткой, считаются первичными. С другой стороны, любые компоненты, относящиеся к заземлению вторичной обмотки, считаются вторичными.

Регулятор первичной стороны не может напрямую подключаться к вторичному регулятору или наоборот. Если вы это сделаете, изоляция, обеспечиваемая трансформатором, будет нарушена. Наиболее предпочтительный и экономичный способ соединения двух элементов управления — использование оптопары, как показано на рисунке ниже.

Контур обратной связи источника питания

Другое распространенное применение оптопары — под схемой. Ниже схема блока питания, может быть обратным или прямым. Контроллер расположен на первичной стороне и управляет силовым полевым МОП-транзистором M2.Чтобы источник питания имел регулируемый выход, система управления должна иметь информацию с выхода. Таким образом, выход является обратной связью с контроллером, расположенным на первичной стороне, с использованием оптопары в качестве элемента изоляции. Для более полного объяснения того, как анализировать работу оптопары в контуре обратной связи, прочтите это.

Логическая схема

Еще одно наиболее распространенное применение оптопары — обеспечение логического сигнала. Если просто для определения логического уровня, почему бы не использовать BJT или MOSFET, которые меньше и дешевле? Опять же, основная цель использования оптопары — одновременно обеспечить изоляцию.В качестве примера я вернусь к источнику питания. Если необходимо контролировать сигнал от одного источника заземления и передавать его в другую схему с другим заземлением, вам следует использовать оптопару, как показано на схеме ниже.

Вышеуказанная схема может работать в режиме насыщения (режим переключения) или в линейном режиме. При работе в качестве переключателя напряжение коллектор-эмиттер транзистора в идеале равно нулю. С другой стороны, когда он настроен на работу в линейной области, напряжение коллектор-эмиттер не равно нулю, но не равно Vcc.Прочтите это, чтобы изучить полные руководства по проектированию схемы оптопары.

Связанные

Введение в оптопары — типы, работа и применение

Оптоизоляторы или оптопары состоят из светоизлучающего устройства и светочувствительного устройства, заключенных в один корпус, но без электрического соединения между ними. , просто луч света. Излучателем света почти всегда является светодиод.Светочувствительное устройство может быть фотодиодом, фототранзистором или другими эзотерическими устройствами, такими как тиристоры, симисторы и т. Д.

В настоящее время во многих электронном оборудовании используется оптопара в цепи. Оптопара или иногда называемый оптопарами позволяет двум цепям обмениваться сигналами, но при этом оставаться электрически изолированными. Обычно это достигается с помощью света для передачи сигнала. В стандартной схеме оптопары используется светодиод, светящий на фототранзистор — обычно это транзистор npn, а не pnp.Сигнал подается на светодиод, который затем светит на транзистор в ИС.

Свет пропорционален сигналу, поэтому сигнал передается на фототранзистор. Оптические соединители также могут поставляться в нескольких модулях, таких как SCR, фотодиоды, TRIAC другого полупроводникового переключателя в качестве выхода, а также лампы накаливания, неоновые лампы или другой источник света.

Чаще всего используется оптопара MOC3021 и комбинация диакритических светодиодов. Эта ИС сопрягается с микроконтроллером, а светодиод последовательно соединен с ИС, который светится, указывая на логический импульс высокого уровня от микроконтроллера, чтобы мы могли знать, что ток течет во внутреннем светодиоде опто-ИС.Когда задан высокий логический уровень, ток течет через светодиод от контакта 1 к 2. Таким образом, в этом процессе светодиодный свет падает на DIAC, вызывая замыкание 6 и 4. В течение каждого полупериода ток протекает через затвор, последовательный резистор и через оптическую схему, чтобы главный тиристор / симистор запускал работу нагрузки.

Оптрон обычно используется в схемах импульсного источника питания во многих электронных устройствах. Он подключается между первичной и вторичной секциями источников питания. Применение или функция оптопары в схеме:

1. Монитор высокого напряжения
2. Выборка выходного напряжения для регулирования
3. Микроуправление системой для включения / выключения питания
4. Изоляция заземления

Это принцип, используемый в Opto -Diacs, Opto-Diacs доступны в виде микросхем и могут быть реализованы с использованием простой схемы.

Просто подайте небольшой импульс в нужное время на светоизлучающий диод в корпусе. Свет, излучаемый светодиодом, активирует светочувствительные свойства диака, и включается питание. Изоляция между цепями малой и высокой мощности в этих оптически связанных устройствах обычно составляет несколько тысяч вольт.

Описание выводов Opto-Diacs:

Доступно 4 различных оптических соединителя

1. MOC3020

Поставляется в 6-контактном DIP, показанном на рисунке:

Принцип работы MOC3020:

MOC3020 предназначен для взаимодействия электронное управление и силовой симистор для управления резистивными и индуктивными нагрузками при работе с переменным током.Принцип, используемый в оптопарке, заключается в том, что МОС быстро доступны в форме интегральной схемы и не требуют очень сложной схемы, чтобы заставить их работать. Просто подайте небольшой импульс в нужный момент светодиоду в упаковке. Свет, излучаемый светодиодом, активирует светочувствительные свойства диака, и включается питание. Изоляция между цепями малой и высокой мощности в этих оптически связанных устройствах обычно составляет несколько тысяч вольт.

Характеристики MOC3020:

• Выходной сигнал драйвера фото-триака 400 В
• Галлий-арсенид-диодный источник инфракрасного излучения и кремниевый симистор с оптической связью
• Высокая изоляция — пик 500 В
• Выходной драйвер разработан для 220 В переменного тока
• Стандарт 6-контактный пластиковый DIP
• Непосредственная взаимозаменяемость с Motorola MOC3020, MOC3021 и MOC3022

Типичные области применения MOC3020:

• Управление соленоидом / клапаном
• Балласты лампы
• Взаимодействие микропроцессоров с периферийными устройствами 115/240 В перем.
• Диммеры ламп накаливания

Применение MOC3020:

Схема, показанная ниже, представляет собой типичную схему, используемую для управления нагрузкой переменного тока с микроконтроллера, один светодиод может быть подключен последовательно к MOC3021, светодиод для индикации, когда высокий уровень выдается с микроконтроллера, например что мы можем знать, что ток течет по внутреннему светодиоду оптрона.Идея состоит в том, чтобы использовать лампу питания, для активации которой требуется переменный ток сети, а не постоянное напряжение. Таким образом, мы пытаемся переключить лампу от сети переменного тока, и никакого внешнего источника питания не требуется. Чтобы переключить переменный ток на лампу, мы должны использовать оптоволоконный симистор, лампа и диак показаны на схеме ниже. Триак называется переключателем, управляемым переменным током. Он имеет три вывода M1, M2 и затвор. Триак, ламповая нагрузка и напряжение питания подключены последовательно. Когда питание включено в положительном цикле, тогда ток течет через лампу, резисторы, диак и затвор и достигает источника питания, и тогда только лампа светится в течение этого полупериода непосредственно через клеммы M2 и M1 симистора.В отрицательном полупериоде повторяется то же самое. Таким образом, лампа горит в обоих циклах управляемым образом в зависимости от запускающих импульсов на оптоизоляторе, как показано на графике ниже. Если это подается на двигатель вместо лампы, мощность регулируется, что приводит к регулированию скорости.

2. MOC3021

MOC3021 — оптрон, предназначенный для запуска TRIACS. Используя это, мы можем запускать в любом месте цикла, поэтому можем называть их ненулевыми оптопарами. MOC3021 очень широко используются и могут быть довольно легко получены из многих источников.Он поставляется в 6-контактном DIP-корпусе, показанном на рисунке.

MOC3021 (оптопара)

Описание контакта:

Контакт 1: Анод

Контакт 2: Катод

Контакт 3: Нет соединения (NC)

Контакт 4: Главный вывод

Контакт 5: Нет соединения (NC)

Контакт 6: Главный вывод

Характеристики:

• Выход драйвера фототиака 400 В
• Источник инфракрасного излучения с арсенидным галлием и оптически связанный кремниевый симистор
• Высокая изоляция, пиковое напряжение 7500 В
• Выходной драйвер предназначен для 220 Vac
• Стандартный 6-контактный пластиковый DIP

MOC3021 имеет множество применений, таких как управление соленоидами / клапанами, балласты ламп, сопряжение микропроцессоров с периферийными устройствами 115/240 Vac, управление двигателями и диммеры ламп накаливания.

Применение MOC3021:

Из приведенной ниже схемы наиболее часто используется оптопара MOC3021 с комбинацией диакритических светодиодов. Кроме того, при использовании этого с микроконтроллером, и один светодиод может быть подключен последовательно с MOC3021, светодиод, чтобы указать, когда микроконтроллер дает высокий уровень, чтобы мы могли знать, что ток течет во внутреннем светодиоде оптопары. Когда установлен высокий логический уровень, ток течет через светодиод от контакта 1 к 2. Таким образом, в этом процессе светодиодный свет падает на DIAC, вызывая замыкание 6 и 4.В течение каждого полупериода ток протекает через затвор, последовательный резистор и через оптическую схему, чтобы главный тиристор / симистор запускал работу нагрузки.

3. MCT2E

Вот видео об оптроне MCT2E

Оптопары серии MCT2E состоят из инфракрасного светодиода на арсениде галлия и кремниевого фототранзистора NPN. Они упакованы в 6-контактный DIP-корпус и доступны с широким шагом выводов.

Контакт 1: анод.

Контакт 2: катод.

Контакт 3: Нет соединения.

Контакт 4: эмиттер.

Контакт 5: коллектор.

Контакт 6: База.

Характеристики:

• Испытательное напряжение изоляции 5000 VRMS
• Интерфейсы с общими логическими семействами
• Емкость связи между входами и выходами <0,5 пФ
• Промышленный стандартный двухпроводной 6-контактный корпус
• Соответствует директиве RoHS 2002/95 / EC

Оптрон, обычно используемый в схемах импульсного источника питания, считывающем релейном управлении, промышленных элементах управления, цифровых логических входах и во многих электронных устройствах

Применение MCT2E:

Это комбинация 1 светодиода и транзистор.Вывод 6 транзистора обычно не используется, и когда свет падает на переход база-эмиттер, он переключается, и вывод 5 переходит в ноль.

• Когда логический ноль подается на вход, свет не падает на транзистор, поэтому он не проводит, что дает логическую единицу на выходе.
• Когда логическая 1 задана как вход, свет падает на транзистор, так что он проводит, что включает транзистор и образует короткое замыкание, что делает выход логическим нулем, поскольку коллектор транзистора соединен с землей.

4. MOC363

Устройства MOC3063 состоят из излучающих инфракрасных диодов на основе арсенида галлия, оптически связанных с монолитными кремниевыми детекторами, выполняющими функции двусторонних симисторных драйверов, пересекающих нулевое напряжение. Это также 6-контактный DIP, показанный на рисунке:

Описание контакта:

Контакт 1: Анод

Контакт 2: Катод

Контакт 3: Нет соединения (NC)

Контакт 4 : Главный терминал

Контакт 5: Нет соединения (NC)

Контакт 6: Главный терминал

Характеристики:

• Упрощает логическое управление питанием 115/240 В перем. Тока
• Напряжение пересечения нуля
• DV / dt 1500 В / мкс типично, 600 В / мкс гарантировано
• Признано VDE
• Признано Underwriters Laboratories (UL)

Применения:

• Электромагнитные / клапанные элементы управления
• Статические переключатели мощности
• Регуляторы температуры
• Электродвигатель переменного тока стартеры и драйверы
• Органы управления освещением
• E.M. контакторы
• Твердотельное реле

Работа MOC3063:

Из схемы у нас есть оптопара MOC3063 с комбинацией типов LED SCR. Кроме того, при использовании этого оптрона с микроконтроллером один светодиод можно подключить последовательно со светодиодом MOC3063, чтобы указать, когда микроконтроллер подает высокий уровень, чтобы мы могли узнать, что ток течет во внутреннем светодиоде оптрона. Когда выдается высокий логический уровень, ток течет через светодиод от контактов 1 до 2.Светодиодный индикатор падает на SCR, заставляя 6 и 4 замыкаться только при переходе через ноль напряжения питания. Во время каждого полупериода ток протекает через затвор SCR, внешний последовательный резистор и через SCR для основного тиристора / симистора для запуска нагрузки в начале цикла питания, чтобы всегда работать.

Вот видео сопряжения оптопары с TRIAC

Типы оптопары, приложения с примерами и схемами

Оптопара — это компонент, который использует световую энергию для соединения двух разных электрических цепей или передачи энергии от одной цепи к другой.Две цепи полностью электрически изолированы друг от друга, что означает, что между ними нет электрического соединения. В этой статье мы обсудим Типы оптопар , Приложения с примерами Схемы цепей и Оптопара также имеет разные названия, такие как оптоизолятор, оптический изолятор, оптопара и т. Д. Оптопара в основном входит в состав микросхем. IC 4N35, IC PC817 и другие микросхемы серии 4NXX являются примерами микросхем оптопары.Давайте посмотрим, что внутри микросхемы оптопары.

Конструкция оптопары

Как вы видите на рисунке выше, микросхема оптопары разделена на две секции: одна — это секция излучателя света, а другая секция — приемник света или датчик света. Оптопара в основном состоит из двух элементов: один из них — источник света, это может быть светодиод, лазер, инфракрасный порт и т. Д. Другой элемент — это светоприемник, например, фототранзистор. Мы знаем, что когда свет попадает на базу фототранзистора, он проводит ток.Этот принцип используется в оптроне. Поэтому, когда мы подаем электричество на оптопару, он создает свет, который может быть видимым или инфракрасным, и он ложный на базе транзистора, поэтому транзистор начинает проводить ток. Когда применяемый свет выключен, транзистор перестает проводить.

Различные типы оптопары

1. Фототранзисторная оптопара

Как вы видите на диаграмме выше, оптопара на фототранзисторе имеет ИК-светодиод в качестве источника света и фототранзистор в качестве светового датчика или светоприемника.В шестиконтактном оптопаре 6-й вывод не подключен к базе транзистора для управления чувствительностью.

2. Оптопара Photo-Darlington

В Photo-Darlington используются два транзистора. Когда инфракрасный свет падает на базу одного транзистора, он включает другой транзистор.

3. Оптопара Photo-SCR

Как вы видите на рисунке выше, в оптроне Photo-SCR используется SCR внутри. Когда свет падает на ворота SCR, он включается. Для управления чувствительностью клемма затвора SCR подключается к 6-му ном.штырь.

4. Оптопара Photo-DIAC

5. Оптопара Photo-TRIAC

Примеры микросхем оптопары

Пример ИС оптопары на фототранзисторах, PC816, PC817, LTV817, K847PH Пример микросхемы оптопары Photo-Darlington, 4N32, 4N33, h31B1, h31B2, h31B3 Пример микросхемы оптопары Photo-TRIAC, IL420, 4N35 Пример микросхемы оптопары Photo-SCR, MOC3071, IL400, MOC3072 Пример микросхемы оптопары Photo-DIAC, MOC3020, MOC3021

Применение оптопары

2.Оптопары используются в твердотельных реле. 3. Оптопары используются для изоляции заземления. 4. Оптопары используются для цепей контроля и измерения высокого напряжения. 5. В схемах диммера ламп используются оптопары. 6. Оптопары также используются в цепях управления двигателями. 7. В цепях управления освещением используются оптопары. 8. Оптопары используются в импульсных источниках питания (SMPS).

Схема управления двигателем с использованием оптопары

Схема управления двигателем с использованием оптопары Photo-DIAC приведена ниже.Вы можете видеть на приведенной выше принципиальной схеме, контакты 1 и 2 оптопары подключены к источнику постоянного тока через переключатель и резистор. Двигатель подключен к источнику переменного тока через симистор. Здесь оптопара Photo-DIAC используется для запуска TRIAC. Когда мы включаем переключатель, ИК-светодиод внутри оптопары включается, и свет падает на DIAC. Когда DIAC начинает проводить, срабатывает TRIAC, поэтому двигатель включается. Как вы видите, цепь высокого напряжения переменного тока и цепь низкого напряжения постоянного тока изолированы друг от друга оптопарой.

Читайте также:

Спасибо, что посетили веб-сайт. Продолжайте посещать, чтобы узнать больше.

Оптопары

, Часть 1: Принципы и полезность Часто задаваемые вопросы

Оптопара, также называемая оптоизолятором, является одним из наиболее полезных, универсальных компонентов для решения проблем, доступных инженеру-проектировщику. Это небольшое немонолитное устройство выполняет одну задачу и делает это хорошо, в большинстве случаев с минимальными сложностями и без программного обеспечения. В этом FAQ будут рассмотрены принципы работы, ключевые параметры и применение этого широко используемого компонента.

Q: Проще говоря, что такое оптопара?

A: Это электрооптический компонент (обычно всего с четырьмя выводами) и концептуально простой принцип работы, Рисунок 1 . Два терминала подключаются к инфракрасному (ИК) светодиоду и управляют им, а два других являются выходом фототранзистора (размещенного в том же корпусе), который воспринимает свет, излучаемый светодиодом. (В оптопару между светоизлучающим светодиодом и фототранзисторным приемником встроен специальный оптический канал).

Рис. 1. Функциональная схема оптопары проста: управляемый током светодиод на стороне входа (с анодом и катодом) подает ИК-фотоны на фототранзистор, который приводится в действие от отсечки до проводимости по мере увеличения интенсивности падающих фотонов (Источник изображения: BrainKart, LLC)

Таким образом, связь между входным светодиодом и выходным фототранзистором является оптической, а не электрической. Светодиод может быть расположен над фототранзистором или рядом с ним, Рисунок 2 . Размер корпуса обычно составляет всего несколько мм с каждой стороны, что-то вроде 4-контактной микросхемы DIP.

Рис. 2: Оптрон не является монолитным устройством, хотя выглядит и упакован как одно целое; вместо этого фототранзистор (красный) размещается над фототранзистором (зеленый) или рядом с ним с промежуточным оптическим трактом, который обеспечивает как канал для фотонов, так и физическое разделение ввода / вывода. (Источник изображения: Википедия)

В: Что тогда происходит?

A: Чем больше ток подается на светодиод, его выходная мощность увеличивается. Когда ток равен нулю или близок к нему, светодиод не производит фотонов или производит их мало.Таким образом, фототранзистор выключен, и ток (за исключением небольшого тока утечки) не течет от его коллектора к эмиттеру. По мере увеличения тока светодиода фототранзистор проводит больше тока, пока он полностью не включится (не станет насыщенным), и он будет проводить максимальный ток с небольшим падением напряжения на его выходе.

Q: Каковы последствия этой связи с использованием оптического пути?

A: В результате отсутствует гальванический (омический) путь между входом и выходом.Информация, переносимая электрическим сигналом на стороне входа, становится электрическим сигналом на стороне выхода, но без какого-либо промежуточного электрического пути.

Q: Зачем это нужно?

A: Есть много ситуаций, когда две части системы или цепи должны быть электрически изолированы. Среди множества ситуаций следующие:

— одна сторона схемы заземлена, а другая — нет («плавающая»), как при управлении верхним полевым МОП-транзистором в топологии привода H-моста;

— когда режимы безопасности и возможные отказы требуют разделения цепи высокого напряжения и цепи низкого напряжения для решения проблем пользователя и системы, а также электрических интерфейсов, Рисунок 3 ;

Рис. 3: Изоляция часто требуется в обычных приложениях, например, в случае электрического сбоя в компоненте или кабеле; здесь изоляция предотвращает попадание более высоких напряжений в немедицинских устройствах с питанием от переменного тока, таких как дисплей ПК, на медицинское оборудование и пациента.(Источник изображения: Ankrit Technologies GmbH)

— даже в низковольтных цепях, таких как автомобили, они гарантируют, что отказ в одной функции цепи не «перетечет» на другие другие и не вызовет дополнительных отказов;

— когда система должна измерять напряжение на отдельной батарее в последовательно соединенной цепочке батарей;

— когда подсхемы имеют разный потенциал земли;

— при наличии напряжения общего кода или шума между двумя подсхемами, которые должны быть устранены или устранены, чтобы остался только полезный дифференциальный сигнал;

— где регулятор мощности должен иметь изоляцию первичной стороны и вторичной стороны (обеспечиваемую силовым трансформатором), но первичной стороне также требуется обратная связь от выхода для управления функцией регулирования, и этот сигнал обратной связи должен быть изолирован, чтобы поддерживать общую изоляцию регулятора;

Это лишь некоторые из множества ситуаций, в которых либо требуется, либо требуется электрическая изоляция.Во второй части этого FAQ некоторые из них будут рассмотрены более подробно.

Q: Есть ли альтернативы оптрону?

A: Да, есть и другие методы достижения гальванической развязки: магнитные с использованием трансформаторов или связанных катушек (могут использоваться для постоянного и низкочастотного тока путем модуляции высокочастотной несущей), емкостные с использованием параллельных мест, изготовленных на ИС, и даже РФ. У каждого есть достоинства и недостатки (здесь не обсуждаются), но решение на основе оптики является одним из наиболее широко используемых.

В: Можно ли использовать оптоизолятор для аналоговых и цифровых сигналов?

A: Да, конечно. Некоторые из них оптимизированы для цифровых (вкл. / Выкл.) Сигналов, когда вход фототранзистора используется для полного разрешения или блокировки прохождения тока. В этой ситуации оптопара используется в качестве твердотельного реле вместо электромеханического реле. В других случаях, таких как сигнал обратной связи регулятора мощности, оптопара работает в аналоговом режиме, и выход является довольно линейным по отношению к входу.

Q: Каковы возможные недостатки оптопары?

A: Во-первых, это активное устройство, и на светодиод должен подаваться соответствующий ток, который может находиться в диапазоне от 20 мА до примерно 50 мА. Кроме того, существует явление, называемое старением светодиодов, при котором мощность светодиода со временем ухудшается и обычно достигает половинной мощности примерно через 20 лет. Это означает, что срок службы оптопары может быть меньше, чем может выдержать приложение. Однако усовершенствования в технологии процесса значительно сократили это старение, и некоторые поставщики гарантируют, что их устройства будут соответствовать спецификациям в течение 20 лет.

В: Это все?

A: Нет, это еще не все, особенно как SSR, заменяющий электромеханическое реле. На выходе оптопары должен протекать ток, и он не может обеспечить так называемое простое замыкание контактов «сухой цепи», которое предлагает электромеханическое реле. Кроме того, электромеханическое реле поддерживает широкий диапазон типов входов и диапазонов (ток и напряжение) как для катушки, так и для контактов, и они не обязательно должны быть похожими; Например.Реле может использовать сигнал 5 В постоянного тока для непосредственного управления линией переменного тока 120 В.

Кроме того, в отличие от электромеханических реле, оптопары представляют собой нормально разомкнутые SSR с одним входом и одним выходом (хотя есть некоторые специализированные SSR с несколькими параллельными выходами через два фототранзистора. Ни один SSR не может эмулировать одно электромеханическое реле с несколькими одновременно нормально разомкнутыми реле). и нормально замкнутые контакты.Наконец, контакты реле могут быть рассчитаны на прямое переключение высоких напряжений и токов, в то время как возможности оптопары гораздо более ограничены — но это не проблема во многих приложениях.

Во второй части этого FAQ более подробно рассматриваются параметры и приложения.

Список литературы

1. EEWorldonline.com, Power Electronic Tips, «Соленоиды и реле, часть 1»
2. EEWorldonline.com, Power Electronic Tips, «Соленоиды и реле, часть 2»
3. EEWorldonline.com «Гальваническая развязка для систем электромобилей»
4. EEWorldonline.com, «Технология электроизоляции в Silicon Labs»
5. EEWorldonline.com, «Почему изолированные цифровые входы заменяют оптопары в системах напряжением до 300 В»
6. EEWorldonline.com, «Выбор оптопары для изоляции ШИМ»
7. EEWorldonline.com, «Как должны быть связаны друг с другом земля и общественное достояние?»
8. EEWorldonline.com, «Пробои и зазоры в электронном оборудовании»
9. Renesas Electronics Corp., «Коэффициент передачи тока (CTR) и время отклика оптопар / оптопар»
10. Fairchild / ON Semiconductor, Указание по применению AN-3001, «Цепи входного привода оптопары»
11. Vishay Semiconductors, Указание по применению 01, «Рекомендации по чтению паспорта оптопары»
12. Vishay Semiconductors, Application Note 02, «Оптопары и твердотельные реле: примеры применения»
13. California Eastern Laboratories, «Руководство по проектированию оптопар на основе приложений»
14. California Eastern Laboratories, «Руководство по выбору оптопар»
15. Электронный блог Kynix Semiconductor, «Как работает оптопара и основы оптопары»
16. Elprocus, «Оптопары — типы и применение»

Цепь оптоизолятора

Работа с учебным пособием и приложениями

Как правило, электрические сигналы передаются от одной цепи к другой с использованием различных компонентов или сред.Если мы рассмотрим телевизионную систему, работающую с использованием ИК-излучения, то инфракрасный пульт, состоящий из ИК-излучателя, используется для передачи электрического сигнала от удаленной схемы к внутренней схеме телевизора. Точно так же каждая дистанционно управляемая система использует либо РЧ, либо ИК, либо лазер и т. Д. Для передачи электрических сигналов от одной цепи к другой. В этой статье давайте обсудим работу схемы оптического изолятора и его применение.

Что такое оптоизолятор?

В электронике оптический изолятор также называют оптическим изолятором, оптопарой или оптопарой.Это один из электрических и электронных компонентов, используемых для передачи электрических сигналов от одной цепи к другой цепи (которая изолирована) с помощью света. Как правило, комбинация светодиода (источника) и фототранзистора (датчика) используется в типичной ИС оптоизолятора, упакованной в один непрозрачный корпус.

На самом деле есть несколько других источников, таких как светодиоды, лампы и т. Д., Которые обнаруживаются датчиками, такими как фотодиод, LASCR, фоторезистор и т. Д. Эти схемы оптоизоляторов обычно используются для передачи цифровых сигналов, но могут использоваться для передачи аналоговых сигналов с помощью нескольких методов.Быстро меняющиеся напряжения или другие электрические параметры на одной стороне схемы могут вызвать повреждение компонентов на другой стороне схемы из-за прямого электрического контакта. Таким образом, схему оптического изолятора можно использовать для изоляции высоких или быстро меняющихся напряжений на одной стороне схемы, вызывающих повреждение компонентов на другой стороне схемы.

Типы оптоизоляторов

Типы оптоизоляторов

Существуют различные типы оптических изоляторов, которые классифицируются на основе различных критериев, таких как количество каналов, напряжение изоляции, тип упаковки, выходное напряжение, коэффициент передачи тока (CTR) и так далее.

Цепь оптического изолятора

Как мы обсуждали ранее в этой статье, для передачи сигналов используются источник и датчик оптического изолятора. Давайте рассмотрим схему оптоизолятора с источником света — светодиодом, который излучает свет, и фотодатчиком (SCR или TRIAC, или фоторезистор, или фототранзистор, или фотодиод). Этот фотодатчик используется для обнаружения падающего света и, таким образом, прямого генерирования электрической энергии или модуляции электрической энергии внешнего источника питания. Светодиод может не только излучать свет, но и воспринимать свет, поэтому можно создавать симметричные и двунаправленные оптоизоляторы.

Цепь оптоизолятора

Если свет, излучаемый светодиодом (источником), падает на базу фототранзистора (датчика), то транзистор (датчик включается) начинает проводить. Если ток, проходящий через светодиод, становится равным нулю или выключен, транзистор перестает проводить.

Применения оптоизоляторов

Эти схемы оптоизоляторов могут использоваться сами по себе, а также для переключения других электронных устройств (транзисторов и т. Д.) Или схем для обеспечения гальванической развязки между управляющим сигналом низкого напряжения и высоким выходным сигналом (напряжением или током).Как правило, для переключения микропроцессорных входов / выходов, управления питанием переменного или постоянного тока, компьютерной связи и для регулирования цепей оптического изолятора источника питания используются.

Практическое применение схемы оптоизолятора — мощность с тиристорным управлением для асинхронного двигателя Проект Efxkits.com

Тиристорный регулятор мощности для асинхронного двигателя с использованием цепи оптического изолятора. В этом электрическом проекте (схема показана на приведенном выше рисунке) мощность переменного тока, подаваемая на нагрузку, регулируется с помощью техники управления углом включения тиристора.Компаратор используется для обнаружения точки пересечения нуля формы волны, которая используется в этом проекте. Выход этого компаратора подается на микроконтроллер 8051, используемый в проекте.

Практическое применение схемы оптоизолятора — мощность с тиристорным управлением для асинхронного двигателя. Блок-схема проекта Efxkits.com

Блок-схема проектной схемы показана на рисунке выше, который состоит из различных блоков, таких как блок питания, блок микроконтроллера, блок схемы оптического изолятора, подключенный к нагрузке, и микроконтроллер через тиристорную цепь, и детектор перехода через нуль.Таким образом, сигнал запуска, необходимый для пары тиристоров, обеспечивается микроконтроллером через интерфейс схемы оптоизолятора.

Затем мощность, необходимая для нагрузки, подается через тиристоры, и эта подаваемая мощность может быть увеличена или уменьшена с помощью кнопочного переключателя. Здесь в демонстрационных целях вместо асинхронного двигателя используется лампа.

Оптоизолятор на базе переключателя постоянного тока

Выключатель постоянного тока с использованием цепи оптоизолятора

Схема оптического изолятора может использоваться для обнаружения сигналов и данных постоянного тока, для управления устройствами с питанием от переменного тока и сетевыми лампами.В случае мощных нагрузок импульс затвора к большему симистору обеспечивается опто-симистором (другой схемой оптоизолятора) через токоограничивающий резистор, как показано на рисунке выше.

Применение симисторного оптопара

Применение симисторного оптопара

Основа простого твердотельного реле может быть сформирована с использованием конфигурации оптопары, показанной на рисунке выше. Эти типы оптоизоляторов могут использоваться для управления нагрузками переменного тока, такими как двигатели, лампы и т. Д.Симисторы или тиристоры работают в течение обоих полупериодов сетевого цикла переменного тока, и, таким образом, используя метод обнаружения перехода через нуль, можно подавать полную мощность на нагрузку, избегая сильных пусковых токов, которые возникают из-за индуктивного переключения нагрузки.

Эти схемы оптоизоляторов обычно используются для управления питанием переменного тока. Шумы и скачки напряжения (если таковые имеются) источника питания переменного тока могут быть полностью изолированы с помощью фото-тиристоров или фото-триаков. Теплового напряжения, вызванного сильным пусковым током, вызванным переключением, можно избежать, используя метод обнаружения перехода через нуль.Цепи оптоизолятора обеспечивают высокую гальваническую развязку между входными и выходными клеммами. Таким образом, маленькие цифры разрешены для управления высокими переменными токами, напряжениями и мощностью.

Знаете ли вы какие-либо практические применения оптоизоляторов? Вы заинтересованы в разработке проектов электроники? Затем поделитесь своими идеями, взглядами, комментариями и предложениями, разместив их в разделе комментариев ниже.

Руководство по выбору оптопар

| Инженерное дело360

Оптопары — это электронные компоненты, которые используют световые волны для обеспечения гальванической развязки при передаче электрического сигнала.Иногда их называют оптоизоляторами, оптопарами или оптическими изоляторами.

Основы оптопары

Строительство

Все оптопары состоят из двух элементов: источника света — почти всегда светодиод (LED) — и фотодатчика — обычно фоторезистора, фотодиода, фототранзистора, кремниевого выпрямителя (SCR) или симистора. Оба эти элемента разделены диэлектрическим (непроводящим) барьером. Когда на светодиод подается входной ток, он включается и излучает инфракрасный свет; Затем фотодатчик обнаруживает этот свет и пропускает ток через выходную сторону схемы.И наоборот, когда светодиод не горит, через фотодатчик не будет протекать ток. С помощью этого метода два протекающих тока электрически изолированы.

На изображении ниже описаны основные операции оптопары. На сером изображении слева ток не подается через контакт 1, светодиод не горит, а в цепи, подключенной к контактам 4 и 5, ток не протекает. Когда питание подается на входную цепь, светодиод включается, датчик обнаруживает свет, замыкает переключатель и инициирует прохождение тока в выходной цепи, как показано на изображении справа.

Работа оптопары. Изображение предоставлено: REUK

В качестве полупроводниковых устройств оптопары могут быть изготовлены в одном из нескольких различных форм-факторов.

• Поверхностный монтаж (SMT) Устройства устанавливаются на верхнюю часть печатной платы с помощью коротких проводов или плоских клемм. Эти изделия, как правило, небольшие, легкие и позволяют производить быструю и недорогую автоматизированную сборку.
• Устройства со сквозным отверстием (THT) оснащены длинными выводами, которые продеваются через отверстия на печатной плате и припаяны к другой стороне.В то время как THT постепенно вытесняется производством SMT из-за необходимости в больших компонентах и ​​трудоемкой сборке, устройства со сквозными отверстиями по-прежнему способны к прочному механическому соединению.
• Компоненты с выводами присоединяются к печатным платам с помощью длинных выводов.

(слева направо) Пакет THT (DIP), пакет SMT и корпус с выводами (TO-78).

Изображение предоставлено: Solarbotics | RoboticLab | Digikey

Приложения

Оптопары

могут использоваться для различных целей и приложений, в том числе:

• Переключение входа и выхода, особенно в среде с электронным шумом
• Импульсные источники питания
• Изоляция сигнала
• Регулятор мощности
• Связь с ПК / модемом
• Управляющие транзисторы и симисторы

В то время как подавляющее большинство оптопар выполняют относительно простое управление цепями включения-выключения, недавние разработки позволили более «интеллектуальным» устройствам передавать кодированные сигналы путем изменения яркости источника света.

Оптопары

похожи на реле и развязывающие трансформаторы и часто выполняют связанные функции, но имеют несколько отличий и преимуществ. Оптопары обычно:

• меньше и легче реле
• имеет гораздо более быстрое переключение
• требует гораздо меньшего тока переключения для активации
• обладают минимальной усталостью благодаря своей твердотельной конструкции, особенно по сравнению с электромеханическими реле

По причинам, перечисленным выше, оптопары очень распространены в цифровых или микроэлектронных устройствах, которые требуют быстрого переключения и используют передачи низкого напряжения.

Следующее видео объясняет основную конструкцию оптопар, их основное применение и их сходство с реле.

Видео предоставлено: myvideoisonutube / CC BY-SA 4.0

Типы

Типы оптопар

определяются типом используемого детектора, как описано ниже. Некоторые типы имеют разные характеристики и поэтому лучше подходят для конкретных приложений. Оптопары часто называют их «типом выхода»; например, устройство на фототранзисторе можно назвать оптопарой с выходом на фототранзистор.«

Фотоэлемент

Оптопары с фотоэлементами

, также известные как резистивные оптоизоляторы, представляют собой самую раннюю конструкцию оптопар. В качестве источника света они используют лампу накаливания, неоновую лампу или светодиод, а в качестве детектора — фоторезистор из сульфида кадмия (CS) или селенида кадмия (CSe). Фотоэлементы в значительной степени устарели из-за их очень медленного переключения (от 5 до 200 миллисекунд) и в период своего расцвета использовались в телефонных сетях, копировальных аппаратах и ​​приложениях для промышленной автоматизации.Однако они уникальны среди оптопар в том, что они неполяризованы и поэтому подходят как для работы на переменном, так и на постоянном токе. Оптопары с фотоэлементами по-прежнему производятся в небольших количествах для использования в качестве дешевых регуляторов усиления или компрессоров в нишевых продуктах, таких как гитарные усилители и электронные музыкальные инструменты. Резистивные светодиодные оптоизоляторы иногда называют Vactrols .

Фотодиод

В фотодиодных оптопарах

в качестве источников света используются светодиоды, а в качестве детекторов — фотодиоды.Они способны к чрезвычайно быстрому переключению, но их коэффициент передачи тока — соотношение между выходным током и входным током, вызвавшим его, — обычно очень низкое, часто менее 1%. Фотодиодные оптопары могут быть оснащены встроенными драйверами светодиодов и буферными усилителями для достижения чрезвычайно быстрого переключения, которое компенсирует задержки на выходе светодиода; эти устройства известны как оптопары с полной логикой.

Фотодиодный оптрон в простой схеме. Изображение предоставлено: DAENotes

Фототранзистор

Как и фотодиодные устройства, оптопары на фототранзисторах оснащены светодиодными источниками света.Их выходные цепи управляются биполярным фототранзистором или фототранзистором Дарлингтона. Оба типа фототранзисторов способны проводить ток только в одном направлении, что делает их пригодными только для использования постоянного тока, а также для использования в контроллерах и приложениях для передачи сигналов. Транзисторные оптопары медленнее фотодиодных, но намного быстрее фотоэлементов. В зависимости от смещения отдельного устройства транзисторные устройства могут иметь широкий диапазон коэффициентов передачи тока, и оба типа хорошо подходят для «повышения» входного тока.С этой целью биполярные транзисторные оптопары обычно могут выдавать до 120% своего входного тока, в то время как устройства Дарлингтона могут выдавать до 600%.

Две схемы ниже представляют оптопару на фототранзисторе (слева) и транзисторе Дарлингтона (справа). Обратите внимание, что устройство Дарлингтона состоит из двух установленных друг на друга биполярных транзисторов в конфигурации Дарлингтона.

Изображение предоставлено: Power Topics | Ebay

SCR и симистор

Два других распространенных выхода оптопары — это тиристор и симистор.Оба типа имеют высокие коэффициенты передачи тока и обычно используются для управления цепями переменного тока с более высоким напряжением.

Оптоизолированные устройства SCR используют кремниевый выпрямитель (SCR) в качестве детектора. Эти оптопары обычно используются в качестве повышающих устройств и имеют скорость переключения от низкой до средней.

Схема оптопары SCR. Изображение предоставлено: teacher.en

Оптоизолированный симистор Устройства имеют симисторный выход (триод для переменного тока).Симисторы похожи по конструкции на тиристоры, но в то время как тиристоры позволяют току течь только в одном направлении, симисторы допускают прохождение тока в обоих направлениях. Как и оптоизолированные тиристоры, симисторные оптопары обычно имеют очень высокие коэффициенты передачи тока.

Симисторный оптрон, используемый в базовой цепи. Изображение предоставлено: roysoala

Технические характеристики и параметры выбора

Характеристики ввода / вывода

Оптопары

часто отличаются конфигурациями входных и выходных цепей.Например, входные характеристики состоят из информации об источнике света, такой как прямой ток светодиода, рассеиваемая мощность или длина волны. Спецификации вывода часто включают аналогичную информацию о детекторе устройства. Одна спецификация, общая для обеих цепей, — это напряжение изоляции.

Изоляционное напряжение иногда называют входным и выходным изолирующим напряжением , и это одна из наиболее важных спецификаций оптопары. Напряжение развязки представляет собой максимальное напряжение, которое может быть приложено как к входным, так и к выходным цепям при сохранении гальванической развязки.

Коэффициент передачи по току

Коэффициент передачи тока, или CTR, описывает соотношение между выходным током и входным током, который его вызвал. Это минимальное значение, выраженное в процентах от входного тока. Типичные характеристики CTR составляют около 10-50%; эти устройства работают аналогично понижающим изолирующим трансформаторам. Оптопары, предназначенные для повышения тока в выходной цепи, часто с выходами фотодарлингтона, могут достигать 600% и более. Коэффициент передачи тока достигает максимального значения, когда входной источник света самый яркий.Знание CTR устройства необходимо для его настройки, чтобы эффективно контролировать выходной ток.

Стандарты

Оптопары

могут быть спроектированы и изготовлены в соответствии с одним или несколькими стандартами. В частности, семейство стандартов SMD 5962 включает в себя различные конструкции оптопар, которые соответствуют MIL PRF 38534 (Общие спецификации для микросхем).

Список литературы

Учебники по электронике — Оптрон

Tronix Stuff — Знакомство с оптопарой

Изображение предоставлено:

Avago | REUK

Оптоэлектроника

Продукты

Драйверы затворов IGBT / MOSFET Оптопары

Оптоэлектронные драйверы затворов IGBT / MOSFET, использующие технологию компланарной упаковки Optoplanar® и оптимизированную конструкцию ИС для достижения высокого изоляционного напряжения и высокой помехоустойчивости, характеризующейся высоким уровнем подавления синфазных помех.Эти устройства предлагают пиковое рабочее напряжение 1414 В, что позволяет устройству напрямую управлять IGBT средней мощности. Использование P-канальных полевых МОП-транзисторов на выходном каскаде позволяет снизить динамическое энергопотребление за цикл во время переключения текущих решений.

Инфракрасный

Семейство продуктов

ON Semiconductor Infrared включает дискретные светоизлучающие диоды (арсенид галлия или GaAs и арсенид алюминия-галлия или AlGaAs), дискретные кремниевые фотодетекторы (фотодиоды, фототранзисторы, фотодарлингтоны и детекторы OPTOLOGIC® IC), узлы для оптических переключателей с отражателем.

Инфракрасные устройства используются в различных конечных продуктах для определения положения или движения (например, офисное оборудование, промышленное управление и бытовые приборы), а также датчиков окружающей среды (например, детекторов дыма) и оптической передачи данных (например, дистанционного управления и считывания показаний счетчиков).

Доступные в различных пластиковых корпусах, корпусах для сквозного и поверхностного монтажа, инфракрасные устройства изготавливаются из пластин, выращенных с использованием самых современных технологий и материалов — III-V для светодиодов и кремния для детекторов.Все продукты не содержат свинца (Pb) и соответствуют требованиям RoHS.

Портфель

ON Semiconductor представляет собой комбинацию зрелых продуктов, которые использовались в течение 20 лет в долговременных промышленных приложениях, и инновационных продуктов для быстро меняющихся приложений в промышленном и медицинском сегментах.

Высокопроизводительные оптопары

Высокоскоростные оптопары с логическим вентилем

ON Semiconductor 3,3 В / 5 В поддерживают изолированную связь между системами без образования контуров заземления или опасных напряжений.Каждая высокоскоростная оптопара использует запатентованную ON Semiconductor технологию компланарной упаковки Optoplanar® и оптимизированную конструкцию. Это обеспечивает превосходную помехозащищенность, характеризующуюся высокой устойчивостью к синфазным переходным процессам и характеристиками отклонения источника питания, и позволяет этим устройствам работать в шумных промышленных средах (на 100% лучше, чем у наших ближайших конкурентов).

Благодаря сочетанию надежной изоляции, высокой степени интеграции 2 каналов оптопары в двунаправленной конфигурации, недавно выпущенный FOD8012 позволяет системным инженерам проектировать надежную систему с низким уровнем ошибок передачи и низким уровнем отказов системы.Это решение обеспечивает подтвержденную надежность в течение продолжительных периодов времени, необходимых для промышленных систем, при невысокой стоимости конструкции и компонентов.

Фототранзисторные оптопары

Получите увеличенные допуски конструкции и стабильные параметры в высокотемпературных средах с новой высокотемпературной фототранзисторной оптопарой FODM8801 OptoHiT ™ компании ON Semiconductor. Обеспечьте высокую помехозащищенность и надежную изоляцию при высоких рабочих температурах, до 125 ° C, поскольку в этой новой серии реализована запатентованная технология OPTOPLANAR® компланарной упаковки ON Semiconductor.Кроме того, FODM8801 предлагает отличную линейность CTR и работает при очень низком входном токе (IF).