Применение оптронов в электронике: от цифровых схем до высоковольтных цепей

В данной схеме оптрон обеспечивает гальваническую развязку между датчиком, который может находиться под высоким напряжением или в агрессивной среде, и измерительной частью схемы с АЦП. Это позволяет защитить чувствительную электронику от повреждений и повысить точность измерений за счет подавления помех.

Преимущества и недостатки оптронов

Основные преимущества применения оптронов:

• Надежная гальваническая развязка между цепями
• Высокое быстродействие (до единиц наносекунд)
• Возможность работы в широком диапазоне напряжений и токов
• Малые габариты и низкая стоимость
• Высокая помехозащищенность

Недостатки оптронов:

• Температурная зависимость характеристик
• Старение светодиода приводит к деградации параметров
• Ограниченный динамический диапазон
• Разброс параметров у разных экземпляров

Заключение

Оптроны являются незаменимыми компонентами во многих областях современной электроники. Их уникальные свойства позволяют решать задачи гальванической развязки, передачи сигналов между цепями с разными уровнями напряжений, защиты от перенапряжений. Несмотря на появление новых технологий, оптроны продолжают широко применяться благодаря простоте, надежности и низкой стоимости.

2.3. Применение оптронов. 2. Оптроны и оптоэлектронные микросхемы. Введение в оптоэлектронику

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

2.3.1. 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.

Применение оптронов для выполнения логических функций

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

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. 9.6, а, моделирует операцию логического умножения (И), а схема на рис. 9.6, б — опе­рацию логического сложения (ИЛИ). В первом случае выходное напряжение U2 поддер­живается на высоком уровне, близком к напряжению С7Ь только если оба фототранзистора ФТ1 и ФТ2 включены и через них идет ток, близкий к насыщению, а во втором — при вы­ходе на насыщение ВАХ любого из фототранзисторов ФТ1 или ФТ2.

Схемы изображенные на рис. 9.6, в, г, реализуют выполнение операций И-НЕ и ИЛИ-HE соответственно. В них транзисторы включены по схемам с общим эмиттером, что обеспечивает выполнение операции НЕ. Выходные электроды транзисторов ФТ1 и ФТ2 на рис. 9.6, в соединены последовательно. Только в случае воздействия световых потоков на оба транзистора их выходные сопротивления оказываются низкими, и на входе фиксируется потенциал, соответствующий логическому нулю.

Фі:

Рис. 9.6. Логические оптоэлектронные элементы для выполнения операций: а — И; 6— ИЛИ; в — И-НЕ; г — ИЛИ-НЕ

Еще одним примером использования оптронов в цифровых устройствах может слу­жить оптоэлектронная микросхема серии 249ЛП1 (рис. 9.7). При протекании по цепи ар-

Сенид-галлиевого светодиода номинально­го входного тока в цепи фотоприемника (кремниевого фотодиода) возникает фото­ток, одновременно являющийся базовым для транзистора УТ1 этот ток достаточен для отпирания транзистора. Эмиттерный ток транзистора УТ1 поступает в базу УТЗ 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 УТ1 оказывается запертым. В этом

Случае через резистор /?7 течет базовый ток транзистора УТ2, причем его значение таково, что УТ2 находится в режиме насыщения. Транзистор УТЗ закрыт, так как на его входе от­сутствует отпирающее напряжение. В результате напряжение на выходе оптопары соответ­ствует потенциалу логической «1» (составляет примерно 2,5 В).

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 …

Общее применение оптопары в современных электронных схемах

4 мая 2015 г. electronicsbeliever

Наиболее распространенным применением оптопары является изоляция сигнала. 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 представляет собой фототранзистор. Фототранзистор — это тоже транзистор, но без тока базы. Отсутствие базового тока делает анализ простым и понятным.

Уход за блоком питания

Одним из распространенных применений оптопары является связь между первичным и вторичным блоками управления источника питания. В настоящее время проектирование источников питания развивается; он использует цифровое управление для первичного и вторичного. Первичная сторона является первичной обмоткой трансформатора. Любые устройства, которые совместно используют заземление с первичной обмоткой, рассматриваются как первичные. С другой стороны, любые компоненты, относящиеся к заземлению вторичной обмотки, считаются вторичными.

Первичный элемент управления не может напрямую подключаться к вторичному элементу управления или наоборот. Если вы это сделаете, изоляция, обеспечиваемая трансформатором, будет нарушена. Наиболее предпочтительным и экономичным способом соединения двух элементов управления является использование оптопары, как показано на рисунке ниже.

Цепь обратной связи источника питания

Другое распространенное применение оптопары находится ниже схемы. Ниже схема представляет собой источник питания, может быть обратноходовым или прямым. Контроллер расположен на первичной стороне, управляющей мощным МОП-транзистором M2. Чтобы источник питания имел регулируемый выход, управление должно иметь информацию с выхода. Таким образом, выход является обратной связью с контроллером, расположенным на первичной стороне, использующим оптопару в качестве элемента изоляции. Для более полного объяснения того, как анализировать оптопару, работающую в контуре обратной связи, прочитайте это.

Логическая схема

Другим наиболее распространенным применением оптопары является подача логического сигнала. Если просто для обнаружения логического уровня, почему бы не использовать BJT или MOSFET, которые меньше и дешевле? Опять же, основной целью использования оптопары является одновременная изоляция. Я вернусь к источнику питания в качестве примера. Если есть необходимость отслеживать сигнал от одного опорного заземления и передавать его в другую цепь с другим опорным заземлением, вы должны использовать оптопару, как показано ниже.

Вышеуказанная схема может работать в режиме насыщения (режим переключения) или в линейном режиме. При работе в качестве ключа напряжение коллектор-эмиттер транзистора идеально равно нулю. С другой стороны, при работе в линейной области напряжение коллектор-эмиттер не равно нулю, но не равно Vcc. Прочтите это, чтобы узнать полные руководства о том, как спроектировать схему оптрона.                                                

Электроника Оптопара

Применение оптопарыобычное применение оптопары

Что такое оптопара? Использование и преимущества

ACTIVES, EEE Components

Оптопара, также известная как оптоизолятор или фотопара, представляет собой электронное устройство, состоящее из светодиодного излучателя в сочетании с фотодетектором, расположенных близко друг от друга.

Существует множество типов фотодетекторов, большинство из которых представляют собой разновидности фотодиода или фототранзистора. Это приводит к различным типам топологий, описанным в следующем посте:

Оптопары позволяют передавать сигналы между цепями с отдельными заземлениями, обеспечивая между ними изолированный гальванический барьер. Таким образом, оптопара является решением для цепей, которые должны быть изолированы друг от друга по соображениям безопасности или регулярности и должны иметь промежуточное взаимодействие.

Вкратце, гальваническая развязка оптопары обеспечивает следующие преимущества: 

• Предотвращение контуров заземления в оборудовании, управляющем удаленной нагрузкой . В большинстве совместно используемых источников питания (например, используемых в компьютерах, телекоммуникациях и контрольно-измерительных приборах) для изолированного пути обратной связи используются оптопары.

• Подавление эффектов электрического шума. Например, трудно использовать все преимущества 16-разрядного АЦП, потому что цифровые выходные сигналы (и шум на цифровой земле, к которой вы подключаете выход преобразователя) возвращаются в аналоговый входной каскад. Избавиться от шума можно оптической изоляцией цифровой половины.

• Для подачи сигнала в цепь, находящуюся под высоким напряжением. Разработчики высоковольтных источников питания иногда используют оптопары для подачи сигнала в цепь, находящуюся под высоким напряжением.

Как мы упоминали выше, существует множество типов оптронов , выбор которых зависит от предполагаемого применения. В любом случае все оптопары имеют следующие максимальные параметры:

• Прямой ток ( I F ) излучающего диода и обратное напряжение ( V R ) не должны превышаться.

• Оптопара с выходом фототранзистора, ток коллектора ( I C ) и напряжение коллектор-эмиттер ( В CE ).

Также необходимо учитывать поведение этих параметров при различных рабочих температурах. Обычно в спецификациях производителя приводятся кривые снижения номинальных характеристик, которые визуализируют эффекты.

Наконец, возможно, наиболее важным параметром оптопары является CTR (коэффициент передачи тока), который представляет собой выраженное в процентах соотношение между выходным током ( I C ) и входным током ( I ). F ) оптопары.

В условиях космоса излучение является одним из наиболее важных аспектов. В оптопарах излучение вызывает деградацию устройства, поэтому важно знать, как поведет себя компонент. Знаете ли вы, что радиация влияет на оптопару, разрушая ее?

Еще похожий пост

Optoi — итальянская компания, занимающаяся оптоэлектроникой и микроэлектроникой. В 2011 году среди быстрорастущих направлений деятельности аэрокосмического подразделения компании компания начала новую разработку, посвященную радиационно-стойкой оптопаре.

Это мероприятие финансировалось Европейской инициативой компонентов (ECI) – ESA. Он был сосредоточен на разработке европейской оптопары с ее оценкой European-Space-Component-Coordinate (ESCC) для космических приложений, сохраняя характеристики неевропейских аналогов в качестве эталона.

В 2021 году компания Optoi, являющаяся ведущей альтернативой оптопарам в Европе благодаря поддержке ESA, присоединилась к ALTER для продвижения своих продуктов и включения их в базу данных doEEEt.