Принцип работы оптопары: устройство, типы и применение

Как работает оптопара. Из каких элементов состоит оптрон. Какие бывают типы оптопар. Где применяются оптроны в электронике. Преимущества использования оптронов для гальванической развязки цепей.

Что такое оптопара и как она устроена

Оптопара (оптрон) — это электронный прибор, состоящий из излучателя света и фотоприемника, объединенных в общем корпусе и связанных оптическим каналом. Основные элементы оптопары:

• Излучатель света (обычно светодиод)
• Фотоприемник (фотодиод, фототранзистор, фототиристор и др.)
• Оптический канал между излучателем и приемником
• Корпус, обеспечивающий механическую прочность и электрическую изоляцию

Принцип работы оптопары основан на преобразовании электрического сигнала в световой поток, его передаче по оптическому каналу и обратном преобразовании света в электрический сигнал. Это обеспечивает гальваническую развязку входной и выходной цепей.

Основные типы оптопар

В зависимости от типа используемого фотоприемника различают следующие виды оптопар:

• Резисторные — с фоторезистором в качестве приемника
• Диодные — с фотодиодом
• Транзисторные — с фототранзистором
• Тиристорные — с фототиристором
• Симисторные — с фотосимистором

Наиболее распространены транзисторные оптопары из-за их высокой чувствительности и быстродействия. Тиристорные и симисторные оптроны применяются для коммутации силовых цепей переменного тока.

Преимущества использования оптопар

Основные достоинства оптронов:

• Обеспечение гальванической развязки цепей
• Высокая электрическая прочность изоляции (до нескольких кВ)
• Возможность передачи сигналов в широком диапазоне частот
• Низкий уровень собственных шумов
• Высокая помехозащищенность
• Совместимость с цифровыми и аналоговыми схемами

Благодаря этим свойствам оптроны нашли широкое применение в электронной аппаратуре различного назначения.

Области применения оптопар

Основные сферы использования оптронов в электронике:

• Гальваническая развязка цепей в источниках питания, измерительных приборах
• Передача сигналов между блоками аппаратуры с разными уровнями напряжений
• Построение устройств сопряжения между логическими элементами разных типов
• Защита входных цепей от перенапряжений
• Коммутация силовых цепей переменного тока
• Передача аналоговых сигналов по оптическому каналу

Оптроны успешно применяются как в бытовой, так и в промышленной электронике, системах автоматики и телекоммуникациях.

Принцип работы транзисторной оптопары

Рассмотрим принцип действия наиболее распространенной транзисторной оптопары:

1. На вход оптрона подается ток, который заставляет светиться светодиод-излучатель
2. Свет от светодиода через оптический канал попадает на базу фототранзистора
3. Под действием света в базе фототранзистора генерируются носители заряда
4. Это приводит к открытию фототранзистора и протеканию тока в его цепи коллектор-эмиттер
5. При прекращении входного тока светодиод гаснет, фототранзистор закрывается

Таким образом, входной электрический сигнал преобразуется в световой поток, а затем обратно в электрический, но уже в гальванически развязанной выходной цепи.

Основные параметры оптопар

При выборе оптронов для конкретного применения учитывают следующие важные параметры:

• Коэффициент передачи тока (CTR) — отношение выходного тока к входному
• Быстродействие — время включения и выключения
• Напряжение изоляции между входом и выходом
• Максимально допустимые входные и выходные токи и напряжения
• Температурный диапазон работы
• Тип корпуса и количество каналов в одном корпусе

Правильный выбор оптрона по этим параметрам позволяет оптимально решить задачу гальванической развязки в конкретной схеме.

Рекомендации по применению оптронов

При использовании оптопар в электронных устройствах следует учитывать некоторые особенности:

• Необходимо ограничивать ток через светодиод-излучатель резистором
• Для линейной передачи сигналов используют режим с отрицательной обратной связью
• Выходной ток оптрона зависит от температуры, что требует температурной компенсации
• При высокочастотной передаче учитывают собственную емкость оптрона
• Для повышения помехозащищенности применяют экранирование корпуса

Соблюдение этих рекомендаций позволяет максимально эффективно использовать преимущества оптронной развязки в электронных схемах.

6.2. Применение оптопар | Электротехника

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

VT1 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
нию, характеру питания, например испол­нительных механизмов, питаемых от сети переменного тока, и цепей форми­рования управляющих сигналов, питаемых от низковольтных источников по­стоянного тока.

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.

Оптопара | это… Что такое Оптопара?

ТолкованиеПеревод

Оптопара

Различные виды оптронов

Оптрон (оптопара) — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и как правило объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.

Содержание 1 Свойства и характеристики 2 Классификация 3 Использование 3.1 Механическое воздействие 3.2 Гальваническая развязка 3. 3 Неэлектрическая передача 4 Ссылки

Свойства и характеристики

В оптроне входная и выходная цепи гальванически развязаны между собой; взаимодействие цепей ограничено паразитными ёмкостями между выводами оптрона. Тепловым воздействием излучателя на фотоприёмник на практике можно пренебречь.

Электрическая прочность (допустимое напряжение между входной и выходной цепями) зависит от конструктивного оформления прибора; для распространённых отечественных DIP-корпусов предельное напряжение между цепями нормируется на 500 или 1000 В, при этом сопротивление изоляции нормируется на уровне 10¹¹Ом. Реальное напряжение электрического пробоя такого прибора — порядка нескольких киловольт.

Нижняя рабочая частота оптрона не ограничена — оптроны могут работать в цепях постоянного тока. Верхняя рабочая частота оптронов, оптимизированных под высокочастотную передачу цифровых сигналов, достигает сотен МГц. Верхние рабочие частоты линейных оптронов существенно ниже (единицы—сотни кГц). Наиболее медленные оптроны, использующие лампы накаливания, фактически являются эффективными фильтрами низких частот с граничной полосой порядка единиц Гц.

Классификация

По степени интеграции

• оптопары (или элементарные оптроны) — состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе)
• оптоэлектронные интегральные схемы, содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них).

По типу оптического канала

• с открытым оптическим каналом
• с закрытым оптическим каналом

По типу фотоприёмника

• с фоторезистором
• с фотодиодом
• с биполярным (обычным или составным) фототранзистором
• с полевым фототранзистором
• с фототиристором

В настоящее время в оптоэлектронике можно выделить два направления.

1. Электронно-оптическое, основанное на принципе фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле внутренным фотоэффектом и электролюминесценцией.
2. Оптическое, основанное на тонких эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением и использующее лазерную технику, голографию, фотохимию и т.д.

Существуют два класса оптических элементов, которые можно использовать при создании оптических ЭВМ:

• Оптроны
• Квантооптические элементы.

Они являются представителями соответственно электронно-оптического и оптического направлений.

Тип фотоприёмника определяет линейность передаточной функции оптрона. Наиболее линейны и тем самым пригодны для работы в аналоговых устройствах резисторные оптроны, затем — оптроны с приёмным фотодиодом или одиночным биполярным транзистором. Оптроны с составными биполярными транзисторами или полевыми транзисторами используются в импульсных (ключевых, цифровых) устройствах, в которых линейность передачи не требуется. Оптроны с фототиристорами применяются для гальванической развязки схем управления от цепей управления.

Использование

Оптроны имеют несколько областей применения, использующих их различные свойства:

Механическое воздействие

Оптронный координатный счётчик в механической мыши

Оптроны с открытым оптическим каналом, доступным для механического воздействия (перекрытия) используются как датчики во всевозможных детекторах наличия (например, детектор бумаги в принтере), датчиках конца (или начала), счётчиках и дискретных спидометрах на их базе (например, координатные счётчики в механической мыши, ареометры).

Гальваническая развязка

Оптроны используются для гальванической развязки цепей — передачи сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты. Некоторые стандартные электрические интерфейсы, например,

Неэлектрическая передача

На принципе оптрона построены такие приспособления как:

• беспроводные пульты и оптические устройства ввода
• беспроводные (атмосферно-оптические) и волоконно-оптические устройства передачи аналоговых и цифровых сигналов

Также используются в неразрушающем контроле как датчики аварийных ситуаций. GaP-диоды начинают излучать свет при воздействии на него радиации, а фотоприёмник фиксирует падение его свечения и сообщает о тревоге.

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

Игры ⚽ Поможем написать реферат

Синонимы:

оптрон

• Оптовые цены
• Оптроника

Полезное

Как работает оптопара | ОРЕЛ

Необходимо защитить чувствительные низковольтные компоненты и изолировать цепи на печатной плате? Оптопара может сделать эту работу. Да будет свет! Это устройство позволяет передавать электрический сигнал между двумя изолированными цепями с двумя частями: светодиодом, излучающим инфракрасный свет, и светочувствительным устройством, обнаруживающим свет от светодиода. Обе эти части содержатся в традиционном черном ящике с парой контактов для подключения. На первый взгляд, оптопару легко спутать с интегральной схемой (ИС).

Эта симисторная оптопара выглядит как интегральная схема. (Источник изображения)

Как это работает

Сначала на оптопару подается ток, который заставляет инфракрасный светодиод излучать свет, пропорциональный току. Когда свет попадает на светочувствительное устройство, оно включается и начинает проводить ток, как любой обычный транзистор.

Как работает оптопара. (Источник изображения)

Фоточувствительное устройство по умолчанию обычно не подключено, чтобы обеспечить максимальную чувствительность к инфракрасному свету. Он также может быть подключен к земле с помощью внешнего резистора для более высокой степени контроля над чувствительностью переключения.

Оптопара эффективно изолирует выходную и входную цепи. (Источник изображения)

Это устройство в основном работает как переключатель, соединяя две изолированные цепи на вашей печатной плате. Когда ток перестает течь через светодиод, светочувствительное устройство также перестает проводить ток и выключается. Все это переключение происходит через пустоту из стекла, пластика или воздуха без каких-либо электрических частей между светодиодом или светочувствительным устройством. Все дело в свете.

Преимущества и типы

Если вы разрабатываете электронное устройство, которое будет восприимчиво к скачкам напряжения, ударам молнии, скачкам напряжения и т. д., вам понадобится способ защиты низковольтных устройств. При правильном использовании оптопара может эффективно:

• Удаление электрических помех из сигналов
• Изолировать низковольтные устройства от высоковольтных цепей
• Позволяет использовать небольшие цифровые сигналы для управления большими переменными напряжениями

Оптопары бывают четырех конфигураций. Каждая конфигурация использует один и тот же инфракрасный светодиод с другим светочувствительным устройством. К ним относятся:

Photo-Transistor и Photo-Darlington , которые обычно используются в цепях постоянного тока, и Photo-SCR и Photo-TRIAC , которые используются для управления цепями переменного тока.

Четыре типа оптопары. (Источник изображения)

Если вы любите приключения, вы даже можете сделать самодельную оптопару из некоторых запасных частей. Просто объедините светодиод и фототранзистор внутри отражающей пластиковой трубки.

Самодельная оптопара всего из трех простых деталей. (Источник изображения)

Типичные области применения

Оптопары

могут использоваться либо сами по себе в качестве коммутационного устройства, либо с другими электронными устройствами для обеспечения изоляции между цепями низкого и высокого напряжения. Обычно эти устройства используются для:

• Переключение ввода/вывода микропроцессора
• Регулятор мощности постоянного и переменного тока
• Защита оборудования связи
• Регулировка электропитания

В этих приложениях вы столкнетесь с различными конфигурациями. Некоторые примеры включают:

Оптотранзисторный переключатель постоянного тока

Эта конфигурация будет обнаруживать сигналы постоянного тока, а также позволяет управлять оборудованием с питанием от переменного тока. MOC3020 идеально подходит для управления сетевым подключением или подачи стробирующего импульса на другой фототриак с токоограничивающим резистором.

(Источник изображения)

Симисторная оптопара

Эта конфигурация позволит вам управлять нагрузками с питанием от переменного тока, такими как двигатели и лампы. Он также способен работать в обеих половинах цикла переменного тока с обнаружением пересечения нуля. Это позволяет нагрузке получать полную мощность без значительных скачков тока при переключении индуктивных нагрузок.

(Источник изображения)

Руководство по компоновке печатных плат

Перед добавлением оптопары в топологию печатной платы примите во внимание следующие три рекомендации:

• Держите соединения заземления оптопары отдельно

Стандартная оптопара имеет два контакта заземления: один для светодиода, а другой для фоточувствительного устройства. Соединение обоих этих заземлений вместе откроет вашу чувствительную схему для любого шума от внешнего заземления. Во избежание этого всегда создавайте две точки подключения: одну для внешних заземляющих контактов, а другую для входных заземляющих проводов.

• Выберите правильное значение токоограничивающего резистора

Выбор токоограничивающего резистора, работающего при минимальном значении оптопары, приведет к нестабильному поведению. Также можно выбрать резистор, обеспечивающий слишком большой ток, который приведет к срабатыванию светодиода. При выборе значения для вашего резистора обязательно найдите значение минимального прямого тока из диаграммы коэффициента передачи тока в техническом описании вашей оптопары. У Vishay есть отличное руководство о том, как читать техническое описание оптопары здесь.

• Знайте, какой тип оптопары вам нужен

Не все оптопары созданы одинаковыми, и вам необходимо выбрать правильный тип для вашего приложения. Например, Opto-Triac используется, если вам нужно управлять нагрузкой переменного тока. Опто-Дарлингтоны предназначены только для небольших входных токов. Если все, что вам нужно, это стандартная изоляция входа, то обычная оптопара PC817 справится с этой задачей. Эту статью от Nuts and Volts определенно стоит прочитать, чтобы понять типы и различия оптронов.

Библиотеки оптопар в EAGLE

Управляемые онлайн-библиотеки Autodesk EAGLE включают целую категорию оптопар для использования в вашем следующем проекте. Это лучше, чем создавать свои собственные пакеты и символы с нуля! Чтобы использовать эту библиотеку, убедитесь, что файл optocoupler.lbr активирован в панели управления Autodesk EAGLE, как показано ниже. Если это так, то у вас будет доступ ко всем этим устройствам в следующий раз, когда вам нужно будет добавить компонент.

Готовы приступить к изоляции цепей и защите низковольтных устройств? Загрузите Autodesk EAGLE бесплатно сегодня, чтобы начать использовать прилагаемые библиотеки оптопары!

Как работают оптопары.

Инженерное мышление

Узнайте об оптопарах. В этой статье мы рассмотрим, как они используются для управления цепями, как они работают, а также как разработать несколько простых схем оптронов, чтобы показать принцип работы.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть обучающее видео на YouTube.

Что такое оптопара?

Оптопары представляют собой встроенные электронные компоненты, которые выглядят примерно так.

Они также известны как оптоизоляторы, оптоизоляторы и фотопары. В этой версии у нас есть основной корпус с 4 контактами. Контакт 1 — анод, контакт 2 — катод, контакт 3 — коллектор, а контакт 4 — эмиттер.

У нас также есть небольшое круглое углубление в корпусе рядом с контактом 1, и мы используем его для идентификации различных контактов. На корпусе у нас тоже есть какой-то текст, это номер детали. Мы используем это, чтобы определить тип оптопары, а также найти спецификацию производителя.

Это устройство представляет собой твердотельное реле, которое соединяет между собой две отдельные цепи. Первая цепь подключена к контактам 1 и 2, вторая цепь подключена к контактам 3 и 4. Это позволяет схеме 1 управлять схемой 2. Мы также можем использовать ее для передачи сигнала, но две цепи электрически изолированы друг от друга. другой.

Почему это важно? Потому что скачки напряжения и помехи в одной цепи не разрушат и не нарушат работу другой цепи. Итак, наши схемы защищены. Они также позволят электронам течь только в одном направлении из-за полупроводниковых материалов внутри.

Таким образом, две цепи могут использовать разные напряжения и токи из-за разделения. Мы можем расширить возможности устройства, добавив другие компоненты, такие как транзистор, к выходу второй схемы. Это позволяет нам контролировать даже более высокие напряжения и токи и автоматизировать управление цепями.

Как это работает?

Существует несколько вариантов оптопар, но в этой статье мы будем придерживаться базовой версии фототранзистора. Когда мы смотрим на символ этой оптопары, мы видим, что слева есть символ светодиода, а справа символ очень похож на транзистор, потому что это модифицированная версия транзистора, известного как фототранзистор. Выводы называются коллектором и эмиттером, как у обычного транзистора, за исключением того, что у нас отсутствует базовый вывод.

В обычной транзисторной схеме есть основная цепь и цепь управления. Транзистор блокирует ток в главной цепи, поэтому свет не горит. Когда мы подаем небольшое напряжение на базовый контакт, это включает транзистор и позволяет току течь в основной цепи, поэтому включается основной свет.

Кстати, мы подробно рассмотрели, как работает транзистор в нашей предыдущей статье, нажмите ЗДЕСЬ.

Транзистор внутри оптопары работает несколько иначе. Он также блокирует ток в главной цепи, но действует как приемник. Когда свет, излучаемый светодиодом, попадает на транзистор, он включается и позволяет току течь в основной цепи.

Итак, когда цепь 1 замкнется, загорится светодиод. Это освещает луч света, который попадает на транзистор. Транзистор обнаруживает это и включается, позволяя току течь в цепи 2. Мы просто управляем этим, включая и выключая внутренний светодиод. Фототранзистор действует как изолятор, блокируя поток тока, если только он не подвергается воздействию света.

Светодиод и транзистор заключены в корпус, поэтому мы их не видим, но мы можем увидеть, как они работают с этими простыми схемами, которые мы создадим позже в этой статье.

Так как же светодиод включает транзистор? Внутри фототранзистора у нас есть разные слои полупроводниковых материалов. Есть тип N и тип P, которые склеены между собой. Тип N и тип P сделаны из кремния, но каждый из них был смешан с другими материалами для изменения их электрических свойств. Тип N был смешан с материалом, который дает ему много дополнительных, а также ненужных электронов. Они могут свободно перемещаться к другим атомам. Тип P был смешан с другим материалом, имеющим меньше электронов. Итак, здесь есть много пустого пространства, куда могут двигаться электроны.

Когда материалы соединяются вместе, возникает электрический барьер, препятствующий движению электронов. Однако, когда светодиод включен, он излучает другую частицу, известную как фотон. Фотографии попадают в материал P-типа и выбивают электроны через барьер в материал N-типа. Электроны на первом барьере теперь также смогут совершить прыжок, и таким образом возникнет ток. Как только светодиод выключается, фотоны перестают выбивать электроны через барьер, и ток во вторичной обмотке прекращается.

Итак, мы можем управлять вторичной цепью, просто используя луч света.

Это работает благодаря полупроводниковому материалу. В обычных проводах медь является проводником, а резина — изолятором. Электроны могут легко проходить через медь, но они не могут проходить через резиновый изолятор. Глядя на базовую модель металлического проводника, у нас есть ядро ​​в центре, окруженное рядом орбитальных оболочек, которые удерживают электроны. Каждая оболочка содержит максимальное количество электронов, и электрону требуется определенное количество энергии, чтобы быть принятым в каждую оболочку, те, которые находятся дальше всего от ядра, имеют наибольшую энергию.

Самая внешняя оболочка известна как валентная оболочка, проводник имеет от 1 до 3 электронов в своей валентной оболочке. Электроны удерживаются на месте ядром, но есть и другая оболочка, известная как зона проводимости. Если электрон может достичь этой зоны проводимости, то он может вырваться из атома и перейти к другим атомам.

У атома металла, например меди, валентная оболочка и зона проводимости перекрываются, поэтому электрон очень легко вырывается на свободу и переходит к другому атому. В изоляторе самая внешняя оболочка упакована, места для присоединения электрона практически нет. Ядро крепко держит электроны, а зона проводимости находится далеко, поэтому электроны не могут добраться до нее, чтобы убежать. Поэтому электричество не может проходить через этот материал. Однако полупроводник отличается от него: в его валентной оболочке слишком много электронов, чтобы быть проводником, поэтому он действует как изолятор. Но зона проводимости довольно близка, поэтому, если мы обеспечим электроны некоторой внешней энергией, некоторые электроны получат достаточно энергии, чтобы совершить прыжок в зону проводимости и стать свободными. Поэтому полупроводник может действовать как изолятор и как проводник.

Схема 1 Светодиод и LDR

Первая схема, которую мы рассмотрим, использует светочувствительный резистор и белый светодиод. LDR изменяет свое сопротивление в зависимости от количества света, которому он подвергается. В темноте у него очень высокое сопротивление, при ярком свете — очень низкое сопротивление.

Этот белый светодиод рассчитан на 20 мА, если я подключу его к источнику питания постоянного тока, мы увидим, что для достижения 20 мА требуется 3 В.

Когда я тестирую этот LDR, мы видим, что при тусклом свете его сопротивление составляет около 40 кОм. Когда я прячу его в руке, это около 4 мегаом, а если полностью закрыть двумя руками, то около 9мегаом. Но когда я освещаю LDR белым светодиодом, его сопротивление составляет около 66 Ом. Если я обниму их пальцами, это около 70 Ом.

Итак, в первичной цепи нам нужен белый светодиод с падением напряжения 3В и током 0,02А. Мы будем контролировать это с помощью переключателя и использовать 9-вольтовую батарею для питания схемы. Резистор находится путем вычитания из 9В 3В для светодиода, равно 6В. Это и будет падение напряжения на резисторе. Ток цепи составляет 0,02 А, поэтому 6 В, деленные на 0,02 А, составляют 300 Ом.

Теперь он будет нормально работать при 0,02 А, но я собираюсь использовать резистор с немного большим значением, чтобы уменьшить ток светодиода, это также немного уменьшит яркость светодиода. Я собираюсь использовать резистор на 330 Ом и резистор на 22 Ом, которые в сумме образуют сопротивление 352 Ом. 6В разделить на 352 Ом 0,017А.

Я помещаю компоненты в схему, и она выглядит так. Ток будет течь по цепи, как показано на рисунке с использованием обычного тока. Когда я нажимаю на переключатель, загорается светодиод.

На вторичной стороне у нас есть красный светодиод с падением напряжения 2 В и током 0,02 А, он включится, чтобы указать, что схема работает. Мы размещаем LDR напротив белого светодиода, это обеспечит сопротивление около 70 Ом при воздействии света. Чтобы найти резистор для светодиода, нам просто нужно из 9 В вычесть 2 В, что равно 7 В. 7В разделить на 0,02А будет 350 Ом. Из 350 вычтем 70 Ом, для LDR будет 280 Ом. Вместо этого я собираюсь использовать два резистора по 150 Ом, что равняется 300 Ом. Итак, если предположить, что LDR составляет 70 Ом, у нас есть сопротивление 370 Ом. 7В разделить на 370 Ом 0,019A.

Итак, я размещаю компоненты на вторичной стороне схемы, и это выглядит так. Обратите внимание, что горит красный светодиод, потому что LDR получает окружающий свет из комнаты. Если вы возьмете немного изоленты, отрежьте несколько маленьких кусочков и оберните ими как LDR, так и светодиод.

Блокирует окружающий свет в комнате, и светодиод выключается. Когда я нажимаю кнопку на первичной цепи, включается белый светодиод, это освещает LDR, который включает красный светодиод на вторичной стороне.

Контур 2 — инфракрасный излучатель и приемник

Проблема с контуром 1 заключалась в том, что естественный свет активировал контур. Итак, вместо этого мы будем использовать инфракрасный излучатель и приемник для этой схемы.

На первичной стороне у нас есть инфракрасный излучатель, тот, который я использую, рассчитан на 30 мА, но я собираюсь использовать меньший ток, чем этот. Когда я тестирую светодиод, мы видим, что при напряжении 1,2 В он имеет ток 0,02 А. Итак, мы будем использовать это значение. Кстати, если вы посмотрите на это своим глазом, вы не увидите никакого света, потому что это инфракрасное излучение, а люди не могут видеть инфракрасное излучение, поэтому вы предполагаете, что оно выключено, но это не так. Если вы используете камеру своего телефона, вы увидите, что она на самом деле включена. Вы можете проверить это самостоятельно, используя пульт от телевизора, так как он также использует инфракрасный порт.

Итак, на первичной стороне у нас есть питание 9В, и инфракрасный светодиодный излучатель с падением напряжения 1,2В. Мы помещаем в схему красный светодиод, чтобы указать, когда схема активирована, просто потому, что мы не можем видеть инфракрасное излучение. Это имеет падение напряжения 2 В и потребляемый ток 0,02 А, поэтому 9 В вычесть 2 В вычесть 1,2 В и получить 5,8 В. Ток в цепи будет 0,02 А, поэтому 5,8 В ÷ разделить на 0,02 А равно 290 Ом. У меня нет резистора на 290 Ом, поэтому я собираюсь использовать резистор на 270 и 22 Ом. Это дает 292 Ом. 5,8 В, деленное на 292 Ом, равно 0,01986 А, так что все в порядке. Мы также будем использовать переключатель для управления этим.

Когда я соединяю компоненты в схему, это выглядит так. Когда я нажимаю на переключатель, включается красный светодиод, а инфракрасный светодиод излучает луч света.

На вторичной стороне у нас есть светодиод приемника, рассчитанный на 1,4 В и 30 мА. Мы включим красный светодиод на этой стороне, чтобы указать, когда цепь активирована. Это имеет падение напряжения 2 В и ток 0,02 А. Итак, у нас 9v на питание, вычесть 2В, вычесть 1,4В будет 5,6В. 5,6 деленное на 0,02А равно 280 Ом. Я буду использовать 270 Ом и 10 Ом, чтобы получить требуемые 280 Ом.

Я помещаю эти компоненты в схему, и она выглядит так. Излучатель и приемник находятся напротив и находятся в непосредственной близости. Когда я нажимаю на переключатель, загорается основной красный светодиод, а излучатель направляет луч инфракрасного света на приемник. Приемник обнаруживает это и пропускает ток, поэтому красный светодиод на вторичной стороне также включается.

Цепь 3 Цепь оптопары.

В третьей схеме используется оптрон PC817.

На стороне входа используется внутренний светодиод, рассчитанный на 1,2 В и 20 мА. Я могу подключить один к источнику питания постоянного тока и увидеть, что при 1,2 В ток составляет 0,02 А, поэтому мы будем использовать это значение. На стороне входа мы будем использовать переключатель для управления схемой и красный светодиод для индикации активации схемы. Это имеет падение напряжения 2 В и ток 0,02 А. Таким образом, при подаче 9 В, из 9 В вычитается 2 В, вычитается 1,2 В, получается 5,8 В. 5,8 В разделить на 0,02 А равно 29.0 Ом. Я собираюсь использовать резистор на 270 Ом и резистор на 22 Ом, чтобы получить 292 Ом. 5,8 В, деленное на 292 Ом, равно 0,01986 А, так что это нормально.

Я помещаю компоненты в печатную плату, и это выглядит так. Когда я нажимаю на переключатель, загорается красный светодиод.

Для вторичной обмотки оптопара рассчитана на максимальный ток 50 мА. Мы просто собираемся использовать красный светодиод на вторичной стороне с падением напряжения 2 В и током 0,02 А. Вторичная сторона будет иметь 9Источник питания V с плюсом, подключенным к коллектору, и эмиттером, подключенным к минусу. Мы должны использовать резистор, иначе оптопара будет разрушена.

Глядя на техническое описание производителя, мы видим диаграмму зависимости тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер. Ток коллектора составляет 20 мА от нашего красного светодиода. Итак, читая диаграмму, мы перемещаемся, пока не достигнем линии 20 мА, это показывает, что напряжение коллектор-эмиттер составляет 2 В.

У нас есть источник питания 9В, поэтому из 9В вычесть 2В для светодиода и 2В для коллектора-эмиттера транзистора, получится 5В. 5В разделить на ток коллектора 0,02А это 250 Ом.