Как устроены и работают оптопары. Какие бывают типы оптопар. Для чего применяются оптопары в электронике. Каковы преимущества и недостатки оптронов. Какие параметры важны при выборе оптопар.
Устройство и принцип работы оптопар
Оптопара (оптрон, оптоизолятор) — это полупроводниковый прибор, состоящий из излучателя и фотоприемника, объединенных в общем корпусе и имеющих оптическую связь. Принцип работы оптопары основан на двойном преобразовании энергии:
- В излучателе электрический сигнал преобразуется в оптическое излучение
- В фотоприемнике оптический сигнал преобразуется обратно в электрический
Основные компоненты оптопары:
- Излучатель (обычно светодиод)
- Оптическая среда (воздух, стекло, пластик)
- Фотоприемник (фотодиод, фототранзистор, фототиристор и др.)
Такая конструкция обеспечивает электрическую изоляцию (гальваническую развязку) между входом и выходом оптопары при сохранении возможности передачи сигнала.
Основные типы оптопар
По типу используемого фотоприемника различают следующие виды оптопар:
- Резисторные — на основе фоторезистора
- Диодные — на основе фотодиода
- Транзисторные — на основе фототранзистора
- Тиристорные — на основе фототиристора
- Составные — с интегральными фотоприемниками
Наиболее распространены транзисторные оптопары благодаря хорошему сочетанию чувствительности, быстродействия и нагрузочной способности.
Преимущества и применение оптопар
Ключевые достоинства оптронов:
- Высокая электрическая изоляция входа и выхода (до нескольких кВ)
- Однонаправленность передачи сигнала
- Отсутствие обратной связи с выхода на вход
- Широкая полоса пропускания
- Высокая помехозащищенность
Благодаря этим свойствам оптопары широко применяются в электронике для:
- Гальванической развязки цепей
- Передачи сигналов между схемами с разными уровнями напряжений
- Устранения паразитных связей и наводок
- Согласования логических уровней микросхем разных типов
- Создания датчиков различных физических величин
Важные параметры при выборе оптопар
При выборе оптопар для конкретного применения следует учитывать следующие ключевые параметры:
- Максимальное напряжение изоляции между входом и выходом
- Передаточная характеристика (коэффициент передачи тока)
- Быстродействие (времена включения и выключения)
- Допустимые входные и выходные токи и напряжения
- Температурная стабильность характеристик
- Уровень собственных шумов
Правильный выбор оптопары позволяет оптимально решить задачу гальванической развязки и передачи сигналов в конкретной схеме.
Недостатки оптопар
Несмотря на многочисленные достоинства, оптронам присущи и определенные недостатки:
- Низкий КПД из-за двойного преобразования энергии
- Относительно высокое энергопотребление
- Сильная температурная зависимость параметров
- Повышенный уровень собственных шумов
- Ограниченное быстродействие (по сравнению с чисто электрическими цепями)
Однако постоянное совершенствование оптопар позволяет постепенно преодолевать эти ограничения и расширять сферу их применения.
Конструкция современных оптопар
В современных оптопарах для повышения эффективности и улучшения характеристик применяются следующие конструктивные решения:
- Оптимизация геометрии и размеров излучающей области светодиода
- Использование просветляющих покрытий для уменьшения оптических потерь
- Применение специальных прозрачных изолирующих материалов
- Интеграция дополнительных усилительных каскадов
- Создание многоканальных оптопар в одном корпусе
Это позволяет создавать оптопары с улучшенными характеристиками по быстродействию, чувствительности и функциональности.
Применение оптопар в цифровой технике
В цифровых устройствах оптопары часто используются для следующих целей:
- Гальваническая развязка между блоками с разными уровнями питающих напряжений
- Согласование логических уровней микросхем разных типов (ТТЛ, КМОП и др.)
- Устранение паразитных связей по цепям питания и «земли»
- Передача цифровых сигналов между удаленными устройствами
- Защита входов микроконтроллеров и других чувствительных элементов
Для этих целей выпускаются специализированные цифровые оптопары с высоким быстродействием и стандартными логическими уровнями на выходе.
Оптопары в силовой электронике
В силовой электронике оптроны применяются для следующих задач:
- Управление силовыми ключами (транзисторами, тиристорами)
- Гальваническая развязка в драйверах силовых ключей
- Передача сигналов обратной связи от силовых цепей к схемам управления
- Защита низковольтных цепей управления от перенапряжений
- Формирование сигналов синхронизации в импульсных источниках питания
Для работы в силовой электронике выпускаются специальные высоковольтные оптопары с повышенной нагрузочной способностью.
6.2. Применение оптопар
Оптопары позволяют решать те же задачи, что и отдельно взятые пары излучатель – фотоприемник, однако на практике они, как правило, более удобны, поскольку в них уже оптимально подобраны характеристики излучателя и фотоприемника и их взаимное расположение.
Если говорить о наиболее очевидном применении оптопары, не имеющем аналогов среди других приборов, так это элемент гальванической развязки. Оптопары (или, как их иногда называют, оптроны) применяют в качестве устройств связи между блоками аппаратуры, находящимися под различными потенциалами, для сопряжения микросхем, имеющих различные значения логических уровней. В этих случаях оптопара передает информацию между блоками, не имеющими электрической связи, и самостоятельной функциональной нагрузки не несет.
Не менее интересно применение оптопар в качестве элементов оптического бесконтактного управления сильноточными и высоковольтными устройствами.
На оптопарах удобно строить узлы запуска мощных тиратронов, распределительных и релейных устройств, устройств коммутации электропитания и т.п.
Оптопары с открытым оптическим каналом упрощают решение задач контроля параметров различных сред, позволяют создавать различные датчики (влажности, уровня и цвета жидкости, концентрации пыли и т.п.).
Одной из важнейших является линейная схема, предназначенная для неискаженной передачи по гальванически развязанной цепи аналоговых сигналов. Сложность этой проблемы связана с тем, что для линеаризации передаточной характеристики в широком диапазоне токов и температур необходима петля обратной связи, принципиально не реализуемая при наличии гальванической развязки. Поэтому идут по пути использования двух идентичных оптронов (или дифференциального оптрона), один из которых выступает в качестве вспомогательного элемента, обеспечивающего обратную связь (рис. 6.13). В таких схемах удобно использовать дифференциальные оптопары КОД301А, КОД303А.
На рис. 6.14 представлена схема двуступенного транзисторного усилителя с оптоэлектронной связью. Изменение тока коллектора транзистора VT 1 вызывает соответствующее изменение тока светодиода оптопары U1 и сопротивления ее фоторезистора, который включен в цепь базы транзистора VT2. На нагрузочном резисторе R2 выделя
ется усиленный выходной сигнал. Применение оптопары практически полностью устраняет передачу сигнала с выхода на вход усилителя.
Оптопары удобны для межблочной гальванической развязки в радиоэлектронной аппаратуре. Например, в схеме гальванической развязки двух блоков (рис. 6.15) сигнал с выхода блока 1 передается на вход блока 2 через диодную оптопару U1. Если в качестве второго блока использована интегральная микросхема с малым входным током, необходимость использования усилителя отпадает, а фотодиод оптопары в этом случае работает в фотогенераторном режиме.
Рис. 6.13. Гальваническая развязка аналогового сигнала: 01, 02 – оптроны, У1, У2 – операционные усилители
Рис. 6.14. Двухкаскадный транзисторный усилитель с оптоэлектронной связью
Оптопары и оптоэлектронные микросхемы применяют в устройствах передачи информации между блоками, не имеющими замкнутых электрических связей. Применение оптопар существенно повышает помехоустойчивость каналов связи, устраняет нежелательные взаимодействия развязываемых устройств по цепям питания и общему проводу. Цепи сопряжения с применением оптопар широко используют в вычислительной и измерительной технике, в устройствах автоматики, особенно когда датчики или другие приемные устройства работают в условиях, опасных или недоступных человеку.
Например, реализация связи гальванически независимых логических элементов может осуществляться с помощью оптоэлектронного переключателя (рис. 6.16). Оптоэлектронным переключателем может служить микросхема К249ЛП1, в состав которой входят бескорпусная оптопара и стандартный вентиль.
Оптопары позволяют упрощать решение задач сопряжения блоков, разнородных по функциональному назначе
Большую группу задач представляет также согласование цифровых микросхем с разными видами логики: транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ), эмиттерносвя
занной логикой (ЭСЛ), комплементарной структурой «металл-окисел-полупроводник» (КМОП) и др. Пример схемы согласования элемента ТТЛ с МДП с помощью транзисторной оптопары показан на рисунке 6.17. Входная и выходная ступени не имеют общих электрических цепей и могут работать в самых различных условиях и режимах.
Идеальная гальваническая развязка нужна во многих практических случаях, например в медицинской диагностической аппаратуре, когда датчик прикреплен к телу человека, а измерительный блок, усиливающий и преобразующий сигналы датчика, подключен к сети. При неисправности измерительного блока может возникнуть опасность поражения человека электрическим током. Собственно датчик питается от отдельного низковольтного источника питания и подключается к измерительному блоку через развязывающую оптопару (рис. 6.18).
Оптопары удобны и в других случаях, когда «незаземленные» входные устройства приходится сопрягать с «заземленными» выходными устройствами. Примерами та
ких задач могут служить соединение линии телетайпной связи с дисплеем, «автоматический секретарь», подключаемый к телефонной линии, и т.п. Например, в схеме сопряжения линии связи с дисплеем (рис. 6.19, а) операционный усилитель обеспечивает требуемый уровень сигналов на входе дисплея. Аналогично можно связать передающий пульт с линией связи (рис. 6.19, б).
Рис. 6.19. Сопряжение «незаземленных» и «заземленных» устройств
Рис. 6.20. Оптоэлектронные полупроводниковые реле:
а – нормальноразомкнутое, б – нормальнозамкнутое
Усиленные сигналы фотоприемника удобно передавать на исполнительные механизмы (например, электродвигатели, реле, источники света и т.п.) через оптоэлектронную гальваническую развязку. Примерами такой развязки могут служить два варианта наиболее распространенных полупроводниковых реле, разомкнутых и замкнутых, (рис.6.20). Реле коммутирует сигналы постоянного тока. Сигнал, воспринимаемый фототранзистором оптопары, открывает транзисторы VT1, VT2 и включает нагрузку
(рис.6.20, а) или отключает ее (6.20, б).
Рис 6.21. Оптоэлектронный импульсный трансформатор
Импульсный трансформатор – весьма распространенный элемент современной радиоэлектронной аппаратуры. Его используют в различных генераторах импульсов, усилителях мощности импульсных сигналов, каналах связи, телеметрических системах, телевизионной технике и т.п. Традиционное конструктивное исполнение импульсного трансформатора с применением магнитопровода и обмоток не совмещается с технологическими решениями, используемыми в микроэлектронике. Частотная характеристика трансформатора во многих случаях не позволяет удовлетворительно воспроизводить как низко -, так и высокочастотные сигналы.
Практически идеальный импульсный трансформатор можно изготовить на базе диодной оптопары. Например, в схеме оптоэлектронного трансформатора с диодной оптопарой изображена (рис. 6.21) транзистор VT1 управляет светодиодом оптопары U1 Сигнал, генерируемый фотодиодом, усиливают транзисторы VT2 и VT3.
Длительность фронта импульсов в значительной степени зависит от быстродействия оптопары. Наиболее высоким быстродействием обладают фотодиоды p—i—n-ст
руктуры. Время нарастания и спада выходного импульса не превышает нескольких десятков наносекунд.
На основе оптопар разработаны и выпускаются оптоэлектронные микросхемы, имеющие в своем составе одну или несколько оптопар, а также согласующие микроэлектронные схемы, усилители и другие функциональные элементы.
Совместимость оптопар и оптоэлектронных микросхем с другими стандартными элементами микроэлектроники по уровням входных и выходных сигналов, напряжению питания и другим параметрам определили необходимость нормирования специальных параметров и характеристик.
electrono.ru
ОПТРОНЫ Устройство и принцип действия оптронов
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА
Оптронами называются такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются излучатели и фотоприемники, используются оптические и электрические связи, а также конструктивно созданные друг с другом элементы. Некоторые разновидности оптронов называются оптопарами, или оптоизоляторами.
Принцип действия любого оптрона основан на двойном преобразовании энергии. В излучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках, наоборот, оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение или приводит к изменению его сопротивления.
Наибольшее распространение получили оптроны с внешними электрическими выходами и выходными сигналами и внутренними оптическими сигналами (рис. 7.1). Конструкция такого опторона имеет вид, показанный на рис. 7.2.
Рис. 7.1. Структурная схема оптрона с внутренней оптической связью |
Рис. 7.2. Пример конструкции диодно-диодного оптрона с внутренней оптической связью |
В электрической схеме такой прибор выполняет функцию выходного элемента — фотоприемника с одновременной электрической изоляцией (гальванической развязкой) входа и выхода. Излучатель является источником фотонов, в качестве которого может быть использован светодиод или миниатюрная лампа накаливания. Оптической средой может служить воздух, стекло, пластмасса или волоконный световод. В качестве фотоприемников используются фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и фоторезисторы. Очень часто применяются интегральные фотодиодно-транзисторные структуры. Различные комбинации этих элементов позволяют получить весьма разнообразные входные, выходные и передаточные характеристики.
На практике применяется и другая разновидность оптронов: использующая внешние входные и выходные оптические сигналы и внутренние электрические сигналы (рис. 7.3). Как правило, такие приборы содержат усилители фототока.
Рис. 7.3. Оптрон с внешней оптической связью |
В отдельных случаях применяются оптроны, одновременно использующие оптические и электрические связи (один из возможных вариантов приведен на рис. 7.4).
——- < | >——- | ||||
О Лг | Приемник | Ф | Излучатель | ||
О | Света | *—- | Света |
Иш
Рис. 7.4. Оптроны, одновременно использующие оптические и электрические связи
С конструкторско-технологической точки зрения излучатель и фотоприемник являются равноправными. Эффективность преобразования энергии и срок службы оптрона в основном определяются излучателем. При разработке излучателя для оптрона главная трудность заключается в оптимизации согласования с фотоприемннком. К параметрам, подлежащим оптимизации, относятся коэффициент усиления, ширина полосы частот, размеры оптического окна, электрические характеристики. Поскольку желательно иметь малое последовательное сопротивление, наилучшим вариантом служит излучатель на основе ваАв. Стремятся получить и малую величину прямого напряжения, но это менее важно, чем оптимизация усиления и частотной полосы.
Требования к виду оптического окна излучателя оптрона и обычного светодиода значительно отличаются друг от друга. Светодиоды изготавливают с кольцевой излучающей областью площадки, чтобы получить высокий коэффициент отношения видимой излучающей области к фактической. Для оптрона излучающая область должна быть настолько малой, насколько это совместимо с допустимой плотностью тока, а контактная площадка размещается так, чтобы минимально затемнить излучающую область. Это обеспечивает лучшую связь с приемником. Малый размер излучающей области позволяет уменьшить бесполезные краевые потери, как тока, так и излучения и обеспечить постоянство условий связи независимо от разброса величины зазора и точности совмещения с чувствительной областью фотоприемника у различных образцов оптронов.
При выборе оптической среды ее изолирующие свойства играют определяющую роль, если расстояние между излучателем и приемником очень мало.
Если же расстояние достаточно велико, например, при использовании волоконной оптики, линз или другой среды (отражающей или пропускающей), изолирующие свойства становятся менее важными. Зато большое значение приобретает спектр пропускания, особенно, если применяются пластмассы. В большинстве оптронов для уменьшения потерь на френе — левское отражение от поверхности излучателя и приемника используют просветляющие покрытия. При этом одновременно создается изоляция, так как материалы покрытий не являются проводниками электрического тока. Во многих типах оптронов для создания хорошей изоляции между излучателем и приемником применяют слой пленки из прозрачного фторопласта. Оптическая изоляция позволяет иметь прибор, обеспечивающий оптическую связь сигналов двух раздельных электронных схем, несмотря на то, что последние гальванически развязаны. Напряжение изоляции таких приборов может достигать тысяч вольт.
Принципиальные физические достоинства оптронов, как уже отмечалось выше, обусловленные использованием фотонов в качестве носителей информации, заключаются в обеспечении очень высокой электрической изоляции входа и выхода, однонаправленности потока информации, отсутствии обратной связи с выхода на вход и широкой полосе пропускания.
Кроме того, важными достоинствами оптронов являются:
— возможность бесконтактного (оптического) управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управления;
— невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае оптронов с протяженным оптическим каналом обусловливает высокую помехозащищенность, а также исключает взаимные наводки;
— возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых под действием оптического излучения изменяются по заданному (сколь угодно сложному) закону;
— расширение возможностей управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и, как следствие этого, создание разнообразных датчиков и приборов для передачи информации.
Современным оптронам присуши и определенные недостатки:
— низкий кпд, обусловленный необходимостью двойного преобразования энергии (электричество-излучение-электричество), и значительная потребляемая мощность;
— сильная температурная зависимость параметров;
— высокий уровень собственных шумов;
— конструктивно-технологическое несовершенство, связанное в основном с использованием гибридной технологии.
Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования материалов, технологии, схемотехники постепенно устраняются. Широкое применение оптронов определяется прежде всего уникальностью достоинств этих приборов.
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 …
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 …
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 …
msd.com.ua
Транзисторные оптопары | Техника и Программы
по сравнению с диодными, за счет внутреннего усиления обладают большей чувствительностью
Рис. 4. Расположение выводов и внутренняя структура транзисторных оптопар
(необходим меньший управляющий ток). У них допустим и больший выходной ток, что позволяет во многих случаях при передаче сигналов обойгись без дополнительных последующих каскадов усиления, чго удобно. Видимо, поэтому транзисторные оптопары чаще всего применяются в радиоаппаратуре.
Рис. 4. Продолжение
Несмотря на то, что инерционность транзисторных оптопар выше, чем у диодных, для многих применений она оказывается вполне допустимой. А для повышения быстродействия таких компонентов разработчики придумали простой способ, реализованный при изготовлении некоторых оптопар. Он заключается в объединении в одном корпусе фотодиода и обычного транзистора, как это показано для оптопар 6N135, 6N136 (рис. 4). Фактически получается диодная оптопара с однотранзисторным внутренним усилителем. Такие компоненты применяютдля скоростной (до 1 Мбит/с) передачи цифровых сигналов.
Коллекторным током оптотранзистора можно управлять не только оптически (током через ИК-диод), но и электрическим сигналом по базовой цепи (если такой вывод имеется). При этом выходная цепь может работать в линейном или ключевом режиме. Схемы включения транзистора обычно применяются с общим эмиттером или общим коллектором.
Транзисторы, входящие в оптроны, бывают низковольтными, допускающими напряжение эмиттер-коллектор до 30 В (в полно-
Таблица 6. Основные параметры распространенных транзисторных оптопар
Продолжение табл. 6
Окончание табл. 6
Примечание к таблице
1. Следуетучитывать, что в таблице указана типовая величина времени переключения иунекоторыхзкземпляров значение можетбыть выше в 3…5 раз.
2. В таблице для Ki (CTR) указана минимальная допустимая величина и для многихприборов значение можетбыть большевЗ… Юраза.
стью открытом состоянии на них будет 0,25…0,5 В), и высоковольтные, способные работать с 11кэ > 80 В (в полностью открытом состоянии у них будет падение напряжение от 1 до 7 В, в зависимости оттипа). Чем больше максимально допустимое напряжение, на которое рассчитан прибор, тем больше и остаточное напряжение при насыщении.
В табл. 6 приведена справочная информация только по оптро- нам, которые выпускаются в популярныхпластмассовых DIP-корпу- cax (иногда эти корпуса называют PDiP). В таблицах применяются обозначения:
UcE — напряжение коллектор-эмиттер, В;
TonAoF — время включения и выключения (типовое), характеризует быстродействие элементов.
Наиболее популярны среди производителей электронных устройств оптопары серий 4Nxx, 6Nxxx, PC8xx, SFH6xx, HCPL-xxxx и др. Особенности и возможные варианты эквивалентной замены транзисторных оптронов разных производителей указаны в табл. 7. Обратная замена не всегда возможна, так какуказанные эквиваленты были разработаны позже и часто имеют лучшие характеристики.
Таблица 7. Варианты замены транзисторных оптронов
Продолжениетабл. 7
Основной тип | Полные зарубежные аналоги (отечественный вариантаналога) | Корпус | Особенности выхода |
MOC8113 | TLP632(GB), 0РТ06Ю | DlP-6 | 1 канал без вывода базы_ |
MOC8204 | TLP371 | DIP-6 | 1 канал |
MOC8205 | TLP371 | DIP-6 | 1 канал |
MOC8206 | TLP371 | DlP-6 | 1 канал |
CNYt7-t | LTV702VA, PC702VA, CNY17-2, K102P2 | DIP-6 | 1 канал |
CNY17-2 | LTV702VB, PC702VB, CNY75A, TLP535-2________ | DIP-6 | 1 канал |
CNY17-3 | LTV702VC, PC702VC, CNY75B, TLP535-3________ | DIP-6 | 1 канал |
CNY17-4 | LTV702VD, PC702VD, CNY17-4, CNY75C, TLP535-4 | DIP-6 | 1 канал |
CNX36 | PC703VB, TLP631, CQY80N | DIP-6 | 1 канал |
PC725V | LTV725V, MCA11G, h21G, TLP371, IL66_____ | DIP-6 | 1 канал со схемой Дарлингтона |
PC810 | PS2701-1, PS2561-1, PS2701-1________ | DIP-4 | 1 канал без вывода базы_ |
PC812 | PS2701-1, PS2561-1 | DIP-4 | 1 канал без вывода базы |
PC813 | LTV814, TLP520GB, TLP620, PS2705-1, PS2565-1________ | DIP-4 | 1 канал без вывода базы_ |
PC814 | LTV814, TLP520GB, TLP620, PS2705-1, PS2565-1, KB814 | DIP-4 | 1 канал без вывода базы _ |
PC815 | LTV815, TLP523, TIL197, ISP815, PS2502-1, PS2702-1, PS2502-1, KB815_ | DIP-4 | 1 канал со схемой Дарлингтона |
PC816 | LTV816, TLP321, PS2701-1, PS2561-1,KB816_ | DIP-4 | 1 канал без вывода базы_ ______ |
PC817 | LTV817, TLP521-1, TLP621, SFH618, PS2701-1, PS2561-1, KB817, (АОУ174)________ | DIP-4 | 1 канал без вывода базы |
PC818 | TLP621, PS2701-1, PS2561-1 | DIP-4 | 1 канал без вывода базы |
PC824 | LTV824, TLP620-2, PS2505-2, KB824 __________ | DIP-8 | 2 канала |
Окончание табл. 7
Основной тип | Полные зарубежные аналоги (отечественный вариант аналога) | Корпус | Особенности выхода |
PC825 | LTV825, ILD30, TLP523-2, PS2502-2, KB825_ | DIP-8 | 2 канала со схемой Дарлингтона__ |
PC826 | LTV826, TLP321-2, PS2501-2, PS2561-2_______ | DIP-8 | 2 канала |
PC827 | LTV827, TLP621-2, K827P2, PS2501-2, PS2561-2_______ | DIP-8 | 2 канала |
PC844 | LTV844, TLP620-4, ISP844, PS2505-4, KB844, OPTQ164 | DIP-16 | 4 канала |
PC845 | LTV845, ILQ30, ISP845, PS2505-4, KB845, OPTQ162 | DIP-16 | 4 канала со схемой Дарлингтона |
PC846 | PS2501-4, KB846 | DIP-16 | 4 канала |
PC847 | LTV847, TLP521-4, K847P2, ILQ621, ISP847, PS2501-4, KB847, OPTQ161 | DIP-16 | 4 канала |
Источник: Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 6. — M / СОЛОН-Пресс, 2005. 240 с.
nauchebe.net
Лекции ЭУПО / Глава1 / оптрон
1.14. ОПТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Оптронами называются оптоэлектронные приборы, имеющие излучатели и фотоприемники и в которых используются оптические и электрические связи, и которые конструктивно объеденены друг с другом. Некоторые разновидности оптронов называются опто-парами или оптоизоляторами.
Принцип действия любого оптрона основан на двойном преобразовании энергии. В излучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках, наоборот, оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение или приводит к изменению его сопротивления. Наибольшее распространение получили оптроны с внешними электрическими входными и выходными сигналами и внутренними оптическими сигналами, рис. 1.70. В электрической схеме такой прибор выполняет функцию выходного элемента – фотоприемника с одновременной электрической изоляцией (гальванической развязкой) входа и выхода. Излучатель является источником фотонов, в качестве которого может быть использован светодиод или миниатюрная лампа накаливания. Оптической средой может служить воздух, стекло, пластмасса или волоконный световод. В качестве фотоприемников используются фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и фоторезисторы. Очень часто применяются интегральные фотодиодно-транзисторные структуры. Различные комбинации этих элементов позволяют получить весьма разнообразные входные, выходные и передаточные характеристики
С конструкторско-технологической точки зрения излучатель и фотоприемник являются равноправными. Эффективность преобразования энергии и срок службы оптрона в основном определяются излучателем. При разработке излучателя для оптрона главная трудность заключается в оптимизации согласования с фотоприемником. К параметрам, подлежащим оптимизации, относятся коэффициент усиления, ширина полосы частот, размеры оптического окна, электрические характеристики. Поскольку желательно иметь малое последовательное сопротивление, наилучшим вариантом служит излучатель на основе GaAs. Требования к виду оптического окна излучателя оптрона и обычного светодиода значительно отличаются друг от друга. Светодиоды изготавливают с кольцевой излучающей областью площадки, чтобы получить высокий коэффициент отношения видимой излучающей области к фактической. Для оптрона излучающая область должна быть настолько малой, насколько это совместимо с допустимой плотностью тока, а контактная площадка размещается так, чтобы минимально затемнить излучающую область. Это обеспечивает лучшую связь с приемником. Малый размер излучающей области позволяет уменьшить бесполезные краевые потери, как тока, так и излучения и обеспечить постоянство условий связи независимо от разброса величины зазора и точности совмещения с чувствительной областью фотоприемника у различных образцов оптронов.
При выборе оптической среды ее изолирующие свойства играют определяющую роль, если расстояние между излучателем и приемником очень мало. Если же расстояние достаточно велико, например, при использовании волоконной оптики, линз или другой среды (отражающей или пропускающей), изолирующие свойства становятся менее важными. Зато большое значение приобретает спектр пропускания, особенно, если применяются пластмассы. В большинстве оптронов для уменьшения потерь на френелевское отражение от поверхности излучателя и приемника используют просветляющие покрытия. При этом одновременно создается изоляция, так как материалы покрытий не являются проводниками электрического тока. Во многих типах оптронов для создания хорошей изоляции между излучателем и приемником применяют слой пленки из прозрачного фторопласта. Оптическая изоляция позволяет иметь прибор, обеспечивающий оптическую связь сигналов двух раздельных электронных схем, несмотря на то, что последние гальванически развязаны. Напряжение изоляции таких приборов может достигать тысяч вольт.
Принципиальные физические достоинства оптронов, как уже отмечалось выше, обусловленные использованием фотонов в качестве носителей информации, заключаются в обеспечении очень высокой электрической изоляции входа и выхода, однонаправленности потока информации, отсутствии обратной связи с выхода на вход и широкой полосе пропускания.
К достоинствам оптронов относятся:
– возможность бесконтактного (оптического) управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управления;
невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае оптронов с протяженным оптическим каналом обусловливает высокую помехозащищенность, а также исключает взаимные наводки;
– возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых под действием оптического излучения изменяются по заданному (сколь угодно сложному) закону;
– расширение возможностей управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и, как следствие этого, создание разнообразных датчиков и приборов для передачи информации.
К недостаткам следует отнести:
– низкий КПД, обусловленный необходимостью двойного преобразования энергии (электричество-излучение-электричество), и значительная потребляемая мощность;
– сильная температурная зависимость параметров;
– высокий уровень собственных шумов;
–конструктивно-технологическое несовершенство, связанное в основном с использованием гибридной технологии.
Оптроны можно классифицировать по их главному функциональному назначению:
– оптроны с внешней оптической и внутренней электрической связями, предназначенные для усиления к преобразования излучения;
– оптроны с внутренней оптической связью, используемые в качестве переменных сопротивлений;
– оптроны с электрической связью, используемые в качестве ключевых элементов.
По типу используемого фотоприемника оптроны подразделяются на использующие фотодиоды, одиночные фототранзисторы, составные фототранзисторы, фототиристоры и фоторезисторы. К основным параметрам оптрона относятся: коэффициент передачи тока
(Ki – отношение тока на выходе оптрона к току на входе), сопротивление развязки и быстродействие (суммарное время включения и выключения), табл. 5.
Таблица 5
Основные характеристики оптронов
Тип оптрона | Коэффициент передачи, % | Сопротивление связи, Ом | Быстродействие, с | Rт / Rос |
Диодные | 0,5…1 | 1011…1013 | 10 –8 | |
Транзисторные | 10…100 1000…10000 (схема Дарлинтонга) | 1011…1013 | (2…5)· 10 –6 | |
Тиристорные | 100 | 1011…1013 | (20…100)· 10 –6 | |
Резисторные | – | 10 –1 …10 –2 | 104…107 | |
Rт – темновое сопротивление резистора, Rос – сопротивление при освещении | ||||
Параметры электрической изоляции оптопары описываются проходной емкостью Cпр и сопротивлением изоляции R. Особенно важную роль в динамике работы оптопар играет емкость С пр. Емкостный ток в цепи изоляции оптопары зависит от скорости изменения напряжения как на входе оптопары, так и на выходе, т.е. возможна электрическая связь через проходную емкость и соответственно ложное переключение или самовозбуждение устройства.
Оптосимистор представляет собой двунаправленный тиристор с оптическим управление, управлять нагрузкой переменного тока. При коммутации нагрузки целесообразно переключать оптосимистор при изменении полярности переменного напряжения в момент перехода его через ноль. В результате на нагрузке напряжение будет нарастать плавно, а не скачкообразно, если это не выполняется. Поэтому имеются оптосимисторы, содержащие схемы детектирования нулевого потенциала, которые при несоблюдении указанного условия блокирует оптосимистор до следующего перехода напряжения через ноль. Оптосимистор обеспечивает гальваническую развязку электрических цепей. Выпускаются оптосимисторы на номинальные напряжения 400, 600 и 800 В переменного тока со схемой детектирования нулевого напряжения и без нее., имеют электрическая прочность изоляции 2500…5000 В. Ток включения симистора 5…15 мА, прямой ток 50 мА. Оптосимистор органически подходит для коммутации нагрузки, питающейся напряжением переменного тока. К таким нагрузкам относят электромагнитные реле, пускатели, электромагниты, электродвигатели, соленоиды, электромагнитные муфты и т. п. Управление оптосимистором может осуществляться как микросхемами, так и микроконтроллерами, микропроцессорами. На рис. 1.71 приведен пример использования оптосимистора для включения электромагнитного аппарата.
Разновидностью оптронов является волстрон (рис. 1.72). Это прибор, представляющий единую конструкцию и содержащий излучатель и фотоприемник, между которыми располагается волоконный световод (длина которого может составлять десятки-сотни метров).
studfile.net
Оптические датчики
Когда ось вращается, датчик регистрирует смену темных и отражающих участков. Оба типа оптронов обладают схожими характеристиками, которые необходимо учитывать при проектировании систем. Данные характеристики рассматриваются в следующих разделах.
Скорость срабатывания
Поскольку фототранзистор довольно медленнодействующий оптический прибор, то данное обстоятельство ограничивает максимальную скорость регистрации. Типичное время включения фототранзистора 8 мкс, а выключения 50 мкс. Эти временные параметры определяются скоростью носителей под действием света в переходе база-эмиттер транзистора.
Коэффициент усиления по току
Оптопара светодиод-фототранзистор имеет ограниченный коэффициент усиления, обычно меньше единицы.
Отношение тока, протекающего в коллекторе фототранзистора к току через светодиод, называется коэффициентом передачи по току, КПТ (Current Transfer Ratio, CTR). Типичное значение КПТ для щелевых оптронов составляет 0.1. Это значит, что при токе 10 мА, протекающем через светодиод, ток коллектора фототранзистоpa составит 1 мА. КПТ иногда задается как коэффициент, иногда приводится в виде таблицы, показывающей различные значения токов коллектора для различных величин тока светодиода. КПТ зависит от характеристик светодиода и фототранзистора и может варьироваться от одного изделия к другому.
КПТ следует принимать во внимание при создании интерфейса между оптроном и микропроцессорной системой. Во-первых, если вы хотите присоединить оптрон прямо к цифровому входу (Рис. 3.8), выход транзистора необходимо согласовать по логическим уровням со входом цифрового устройства. Для быстрого насыщения фототранзистора величину нагрузочного резистора следует ограничить. Например, если через светодиод протекает ток 10 мА, а минимальная величина КПТ равна 0.1, то величину нагрузочного резистора следует выбрать порядка 5 кОм. Меньшая величина резистора обеспечит лучшую устойчивость к шумам (из-за меньшего импеданса) и, возможно, большую скорость переключения, но не гарантирует совместимости со всеми устройствами, так как транзистор не смог бы пропускать достаточный ток для обеспечения НИЗКОГО логического уровня. Чтобы снизить величину нагрузочного резистора, можно использовать оптопару с более высоким КПТ или питать светодиод большим током.
Выпускаются оптроны с составным транзистором Дарлингтона на выходе, что обеспечивает КПТ > 1, но скорость переключения такого оптрона ниже, чем у одиночных транзисторов и составляет 20% от скорости одиночных транзисторов. К тому же напряжение насыщения транзистора Дарлингтона больше, чем у одиночного транзистора.
kip21.ru
Ответы@Mail.Ru: принцип работы оптопары
Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом . Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик. Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами. По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят также “элементарный оптрон”) представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств. Таким образом в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.
источник света—приёмник света
<a rel=»nofollow» href=»http://ru.wikipedia.org/wiki/Оптопара» target=»_blank» >оптопара</a>
Оптопара делает то же, что раньше делали реле — гальванически развязывает источник сигнала и нагрузку. Только у реле промежуточный канал передачи информации механический, а у оптопары — оптический. Кстати, в современных оптопарах чаще используют излучатель-приёмник не светового, а инфракрасного диапазона, так получается эффективнее, а название осталось по наследству.
ка ктвои глаза
<a rel=»nofollow» href=»http://kazus.ru/articles/205.html» target=»_blank»>http://kazus.ru/articles/205.html</a>
Подробное видео <a rel=»nofollow» href=»http://www.youtube.com/watch?v=jr36TkscVfI» target=»_blank»>http://www.youtube.com/watch?v=jr36TkscVfI</a>
Принцып ключа. Сигнал управления подаеться на светоизлучатель. Свет исходящий от излучателя активирует токопропускание светоприемника. Таким образом светоприемник начинает пропускать через себя токи. Принцып реле. Только при полной развязки цепи.
touch.otvet.mail.ru