Виды оптопар. Оптопары: виды, принцип работы и применение в электронике

Что такое оптопара и как она устроена. Какие бывают типы оптопар. Как работает оптопара. В чем преимущества и недостатки оптопар. Где применяются оптопары в электронике.

Что такое оптопара и как она устроена

Оптопара (оптрон) — это полупроводниковый прибор, состоящий из излучателя света и фотоприемника, между которыми есть оптическая связь. Оптопара обеспечивает передачу электрического сигнала между двумя электрически изолированными цепями.

Основные элементы оптопары:

• Излучатель (обычно светодиод)
• Оптическая среда (прозрачный диэлектрик)
• Фотоприемник (фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и др.)

Излучатель и фотоприемник помещены в светонепроницаемый корпус, что защищает устройство от внешних источников света. Оптическая среда обеспечивает передачу света от излучателя к фотоприемнику.

Принцип работы оптопары

Как работает оптопара? Принцип действия оптопары основан на преобразовании электрического сигнала в световой и обратно:

1. На вход оптопары подается электрический сигнал
2. Светодиод преобразует электрический сигнал в световое излучение
3. Свет проходит через оптическую среду и попадает на фотоприемник
4. Фотоприемник преобразует световой сигнал обратно в электрический

Таким образом, входной и выходной сигналы электрически изолированы друг от друга, но информация передается с помощью света. Это обеспечивает гальваническую развязку между входом и выходом устройства.

Основные типы оптопар

В зависимости от типа используемого фотоприемника выделяют следующие виды оптопар:

Резисторные оптопары

Используют в качестве фотоприемника фоторезистор. Основные особенности:

• Работают на постоянном и переменном токе
• Имеют нелинейную характеристику
• Относительно низкое быстродействие

Диодные оптопары

Содержат фотодиод в качестве приемника излучения. Их преимущества:

• Высокое быстродействие
• Линейность характеристик
• Возможность работы в фотогенераторном режиме

Транзисторные оптопары

Используют фототранзистор как приемник света. Особенности:

• Высокий коэффициент передачи тока
• Хорошее быстродействие
• Работа преимущественно в ключевом режиме

Тиристорные оптопары

Содержат фототиристор в качестве фотоприемника. Их свойства:

• Высокая нагрузочная способность
• Возможность коммутации мощной нагрузки
• Работа в ключевом режиме

Преимущества использования оптопар

Оптопары обладают рядом важных достоинств:

• Обеспечение гальванической развязки между цепями
• Защита низковольтных схем от высокого напряжения
• Подавление электрических помех
• Высокое быстродействие
• Миниатюрность и легкость конструкции
• Долгий срок службы
• Низкое энергопотребление

Гальваническая развязка позволяет соединять цепи с разными уровнями напряжений и потенциалов, что повышает помехозащищенность и безопасность устройств.

Недостатки оптопар

У оптопар есть некоторые недостатки:

• Ограниченная нагрузочная способность
• Необходимость внешнего напряжения питания
• Нелинейность характеристик у некоторых типов
• Недостаточно высокие частотные свойства
• Разброс параметров у разных экземпляров

Однако преимущества оптопар во многих случаях перевешивают их недостатки, что обусловливает их широкое применение.

Области применения оптопар

Где используются оптопары? Основные сферы применения:

• Системы передачи данных
• Измерительная техника
• Источники питания
• Преобразователи сигналов
• Устройства управления
• Системы автоматики

Конкретные примеры использования оптопар:

• Гальваническая развязка в интерфейсах передачи данных
• Управление силовыми ключами и реле
• Формирование импульсных сигналов
• Стабилизация напряжения в импульсных источниках питания
• Преобразование уровней сигналов

Параметры и характеристики оптопар

Основные параметры, характеризующие работу оптопар:

• Коэффициент передачи по току
• Входной и выходной токи
• Быстродействие (время включения и выключения)
• Напряжение изоляции между входом и выходом
• Проходная емкость
• Температурный диапазон работы

Важнейшим параметром является коэффициент передачи по току, показывающий эффективность преобразования входного тока в выходной. Он может достигать значений 50-500% для транзисторных оптопар.

Особенности выбора оптопар

При выборе оптопары для конкретного применения следует учитывать:

• Требуемый коэффициент передачи
• Допустимые входные и выходные токи
• Необходимое быстродействие
• Напряжение изоляции
• Тип выходного устройства (транзистор, тиристор и т.д.)
• Условия эксплуатации (температура, влажность)

Правильный выбор типа оптопары позволяет оптимизировать характеристики устройства и обеспечить его надежную работу.

Перспективы развития оптопар

Основные направления совершенствования оптопар:

• Повышение быстродействия
• Увеличение напряжения изоляции
• Расширение функциональных возможностей
• Улучшение температурной стабильности
• Миниатюризация конструкции

Развитие технологий производства полупроводников и оптоэлектронных компонентов открывает новые возможности для создания более совершенных оптопар с улучшенными характеристиками.

30 Типы оптопар

Рассмотрим различные типы оптопар, отличающиеся друг от друга фотоприемниками.

Резисторные оптопары имеют в качестве излучателя сверхминиатюрную лампочку накаливания или светодиод, дающий видимое или инфракрасное излучение. Приемником излучения является фоторезистор из селенида кадмия или сульфида кадмия для видимого излучения, а для инфракрасного – из селенида или сульфида свинца. Фоторезистор может работать как на постоянном, так и на переменном токе. Для хорошей работы оптопары необходимо согласование излучателя и фоторезистора по спектральным характеристикам. Схема включения резисторной оптопары изображена на рис.4.15.

Диодные оптопары (рис.4.16,а) имеют обычно кремниевый фотодиод и инфракрасный арсенидо-галлиевый светодиод. Фотодиод может работать в фотогенераторном режиме, создавая фото-ЭДС до 0,8В, или в фотодиодном режиме. Диоды изготовляют по планарно-эпитаксиальной технологии. Для повышения быстродействия применяют фотодиоды типа p-i-n.

Применение диодных оптопар весьма разнообразно. Например, на основе диодных оптопар создаются импульсные трансформаторы, не имеющие обмоток. Оптопары используются для передачи сигналов между блоками сложной РЭА, для управления работой различных микросхем, особенно микросхем на МДП-транзисторах, у которых входной ток очень мал. Разновидность диодных оптопар – оптопары, в которых фотоприемником служит фотоварикап (рис.4.16,б).

Транзисторные оптопары (рис.4.16,в) имеют обычно в качестве излучателя арсенидно-галлиевый светодиод, а приемника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор типа n-p-n. Основные параметры входной цепи таких оптопар аналогичны параметрам диодных оптопар. Оптопары этого типа работают главным образом в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле и во многих других случаях.

Тиристорные оптопары имеют в качестве фотоприемника кремниевый фототиристор (рис.4.16,г) и применяются в ключевых режимах. Основная область использования – схемы для формирования мощных импульсов, управления мощными тиристорами, управления и коммутации различных устройств с мощными нагрузками. Параметры тиристорных оптопар – входные и выходные токи и напряжения, соответствующие включению, рабочему режиму и максимальным допустимым режимам, а также время включения и выключения, параметры изоляции между входной и выходной цепями.

Оптоэлектронные интегральные микросхемы (ОЭ ИМС) имеют оптическую связь между отдельными узлами или компонентами. В этих микросхемах, изготовляемых на основе диодных, транзисторных, тиристорных оптопар, кроме излучателей и фотоприемников содержатся еще устройства для обработки сигналов, полученных от фотоприемника. Особенность ОЭ ИМС – однонаправленная передача сигнала и отсутствие обратной связи.

устройство, типы, достоинство и недостатки, характеристики и область применения.

Оптопары — вид оптоэлектронных полупроводниковых приборов. Оптопары представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между выходом и входом. В электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

Структурная схема

Входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок вольтамперной характеристики) и преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), малым значением «порогового» входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи.

Назначение оптической среды – передача оптического сигнала т излучателя к фотоприемнику, а также обеспечение механической целостности конструкции. Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например, с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражается введением в схему устройства управления. В этом случае получается оптрон с управляемым оптическим каналом, функционально отличающийся от «обычного» оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления. В фотоприемнике происходит восстановление информационного сигнала из оптического в электрический, при этом стремятся иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие. Выходное устройство призвано преобразовывать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Обязательной функцией выходного каскада является усиление сигнала, т.к. потери после двойного преобразования очень значительны. Часто функции усилителя выполняет и сам фотоприемник (например фототранзистор). область применения оптронов – оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями; запуск мощных тиристоров, управление электромеханическими релейными устройствами. Специфическую группу управляющих оптронов составляют резисторные оптроны, предназначенные для слаботочных схем коммутации в сложных устройствах визуального отображения информации, выполненных на электролюминесцентных (порошковых) индикаторах, мнемосхемах, экранах.

Выделяются три основные группы изделий оптронной техники: оптопары, оптоэлектронные интегральные микросхемы и специальные типы оптронов. Для наиболее распространенных оптопар используются обозначения Д – диодная, Т – транзисторная, P – резисторная, У – тиристорная, 2Т – с составным фототранзистором, ДТ – диодно-транзисторная, 2Д (2Т) – диодная (транзисторная) дифференциальная. Система параметров изделий оптронной техники базируется на системе параметров оптопар, которая формируется из четырех групп параметров и режимов. Первая группа характеризует входную цепь оптопары (входные параметры), вторая – ее выходную цепь, третья – объединяет параметры, характеризующие степень воздействия излучателя на фотоприемник и связанные с этим особенности прохождения сигнала через оптопару как элемент связи (параметры передаточной характеристики), четвертая группа объединяет параметры гальванической развязки, значения которых показывают, насколько приближается оптопара к идеальному элементу развязки. Определяющими «оптронными» являются параметры передаточной характеристики и параметры гальванической развязки.

Важнейшим параметром диодной и транзисторной оптопар является коэффициент передачи тока.

Определение импульсных параметров показано на рис. 8.36, а, б.

Отсчетными уровнями при измерении параметров t_НАР(СП), t_ЗД, t_ВКЛ (_ВЫКЛ)обычно являются уровни 0,1 и 0,9, а полное время логической задержки сигнала определяется по уровню 0,5 амплитуды импульса. Параметрами гальванической развязки оптопар являются: максимально допустимое пиковое напряжение между входом и выходом U_{разв п мах}; максимально допустимое напряжение между входом и выходом U_{разв.мах}; сопротивление гальванической развязки R_разв.; проходная емкость C_разв; максимально допустимая скорость изменения напряжения между входом и выходом (dU_разв./dt)_max Важнейшим является параметр Uразв max. Именно он определяет электрическую прочность оптопары и ее возможность как элемента гальванической развязки.

Оптопара: типы и области применения

• Оптопара (также известная как оптоизолятор) представляет собой полупроводниковое устройство, передающее электрический сигнал между двумя изолированными цепями. Оптопара состоит из двух частей: светодиода, излучающего инфракрасный свет, и светочувствительного устройства, улавливающего свет от светодиода. Обе части помещены в черный ящик с соединительными штифтами. Входная цепь получает входящий сигнал переменного или постоянного тока и использует его для включения светодиода.

Оптопара

• Устройство оптопары представляет собой просто герметичный автономный блок, в котором размещены оптические (световые) модули Tx и Rx с независимым питанием, которые можно оптически соединить друг с другом. На рисунке выше показана основная форма такого устройства. Блок Tx в этом случае представляет собой светодиод, но блок Rx может быть фототранзистором, фототранзисторным транзистором, опто-триаком или другим типом фоточувствительного полупроводникового элемента; Блоки Tx и Rx размещены близко друг к другу в одном герметичном корпусе.

Работа оптопары

• Ответвители используют свет для передачи электрических сигналов. Поскольку они обеспечивают хорошую изоляцию входных и выходных сигналов, они широко используются в различных схемах. В настоящее время это одно из наиболее часто используемых оптоэлектронных устройств. Оптопара состоит из трех частей: излучения света, приема света и усиления сигнала. Входной электрический сигнал заставляет светодиод излучать свет с определенной длиной волны, который обнаруживается фотодетектором и преобразуется в фототок, который затем выводится после дальнейшего усиления.

Работа оптопары

• Затем завершается электрооптическое преобразование, которое служит входом, выходом и изоляцией. Поскольку взаимодействие между входом и выходом оптопары является однонаправленным, а передача электрических сигналов однонаправленной, оптопара имеет хорошую электрическую изоляцию и защиту от помех. Кроме того, поскольку входной конец оптопары представляет собой компонент с низким сопротивлением токового типа, он обладает сильной способностью подавления синфазного сигнала.
• В результате, при использовании в качестве терминального элемента изоляции при передаче информации по длинным линиям, а также в качестве интерфейсного устройства для изоляции сигналов в компьютерной цифровой связи и управлении в реальном времени, он может значительно улучшить отношение сигнал/шум (SNR). ). Работа на компьютере может быть значительно улучшена с точки зрения надежности.

Различные типы оптопары

• Оптопара на основе фототранзистора.
• Оптопара на основе фототранзистора Дарлингтона.
• Оптопара, использующая фотосимистор.
• Оптопара с фототиристором.

1. Оптопара на основе фототранзистора

• Внутренняя конструкция оптрона на основе фототранзистора показана на верхнем рисунке. Тип транзистора может быть PNP или NPN.
• В зависимости от наличия вывода вывода фототранзистор может быть двух типов. На втором изображении слева есть дополнительная распиновка, которая внутренне связана с базой транзистора. Контакт 6 используется для управления чувствительностью фототранзистора. Резистор высокого номинала часто используется для соединения контакта с землей или минусом. В этой конфигурации можно эффективно контролировать ложные срабатывания, вызванные шумом или электрическими переходными процессами.

Оптопара на основе фототранзистора

• Кроме того, перед использованием оптопары на основе фототранзистора пользователь должен знать максимальный номинал транзистора. PC816, PC817, LTV817 и K847PH — это несколько примеров оптопар на основе фототранзисторов. Оптопара на основе транзистора используется для развязки цепи постоянного тока.

2. Оптопара на основе фототранзистора Дарлингтона

• Транзистор Дарлингтона представляет собой пару из двух транзисторов, в которой один транзистор управляет базой другого транзистора. В этой конфигурации транзистор Дарлингтона обеспечивает высокий коэффициент усиления. Светодиод, как обычно, излучает инфракрасный свет и управляет базой парного транзистора.

Оптопара на основе фототранзистора Дарлингтона

• Этот тип оптопары также используется для развязки в цепях постоянного тока. Шестой контакт, который внутренне соединен с базой транзистора, используется для управления чувствительностью транзистора, как обсуждалось ранее в описании фототранзистора. Несколько примеров оптопары фото-Дарлингтона: 4N32, 4N33, h31B1, h31B2 и h31B3.

3. Оптопара с фототриаком

• На верхнем рисунке показана внутренняя конструкция оптопары на основе симистора.

Оптопара, в которой используется фотосимистор.

• TRIAC в основном используется там, где требуется управление или переключение на основе переменного тока. Свинцом можно управлять с помощью постоянного тока, а симистор используется для управления переменным током. Оптопара обеспечивает отличную изоляцию и в этом случае. Вот одно приложение Triac. Примерами оптопары на основе фототриака являются IL420, 4N35 и т. д., которые являются примерами оптопары на основе триака.

4. Оптопара с фото SCR

• SCR — это аббревиатура для кремниевого выпрямителя, также известного как тиристор. Внутренняя конструкция оптопары на основе Photo-SCR показана на верхнем изображении. Светодиод, как и другие оптопары, излучает инфракрасный свет. Интенсивность светодиода управляет SCR. Оптопара на основе фототиристора, используемая в цепях переменного тока. Более подробную информацию о тиристорах можно найти здесь.

Оптопара с фото SCR

• MOC3071, IL400, MOC3072 и другие оптопары на основе фототиристоров являются примерами.

Преимущества оптопары

• Меньше и легче
• Низкая цена
• Работает очень быстро.
• Меньше шума.
• Оптопара работает с высоковольтными сигналами как переменного, так и постоянного тока.
• Он также используется для обнаружения присутствия физических объектов в различных сенсорных приложениях.
Срок службы оптопары
• составляет несколько десятилетий.
• Имеет отличный отклик на низких частотах.
• Нет дребезга контактов, помех дуги и износа схем.
• Потребляет меньше энергии.
• Из-за короткого времени включения и выключения имеет высокую частоту переключений.

Недостатки оптопары

• Оптопары не могут работать с большими токами.
• Для работы оптопары требуется внешнее напряжение смещения.
• Неадекватная высокочастотная характеристика.
• Оптопары на основе фототранзисторов не имеют такой же линейной зависимости между изменениями входного и выходного светового тока, как типы на основе фотодиодов.

Применение оптопары

• Управление соленоидами/клапаном
• Выключатели, обеспечивающие постоянную мощность
• Регулировка температуры
• Пускатели и приводы для двигателей переменного тока
• Органы управления освещением
• Контакторы для EM
• Реле твердотельное

Что такое оптопара? Его преимущества, недостатки и области применения – Matha Electronics

IOT

• haya

06 апреля

Схемы оптронов используются в различных электронных проектах. В этом мы подробно обсудим основы оптопары, типы, преимущества, недостатки и области применения

.

Что такое оптопара?

Оптопары — это электронные компоненты, которые используют свет для передачи электрических сигналов между двумя изолированными цепями. Они предотвращают воздействие высокого напряжения на цепь, принимающую сигнал. Они состоят из светодиода и фототранзистора и поставляются в различных корпусах. Сегодня мы будем использовать простую оптопару с одним светодиодом и одним фототранзистором в этой схеме. Входная схема получает входящий сигнал, будь то переменный или постоянный ток, и использует его для включения светодиода.

Оптопары

поставляются в четырех различных конфигурациях, каждая из которых имеет один и тот же инфракрасный светодиод, но разные светочувствительные компоненты. В цепях постоянного тока 9Фототранзистор 0157 и фото-Darlington обычно используются, тогда как фото-SCR и фото-триак обычно используются для управления цепями переменного тока. Транзистор в фототранзисторной оптроне может быть PNP или NPN. Транзистор Дарлингтона состоит из двух транзисторов, один из которых управляет базой другого. Транзистор Дарлингтона относится к транзисторам с высоким коэффициентом усиления.

Преимущества оптопары

• Удалить электрические помехи из сигналов
• Изолировать низковольтные устройства от высоковольтных цепей. Устройство способно избежать сбоев из-за скачков напряжения (например, из-за радиочастотных передач, ударов молнии и скачков напряжения в сети)
• Позволяет использовать небольшие цифровые сигналы для управления большим переменным напряжением

Структура оптопары :

Оптопара состоит из двух электрически изолированных цепей. Первая схема имеет инфракрасный излучающий диод, тогда как вторая схема содержит устройство инфракрасного датчика, такое как фотодиод, фототранзистор, фото TRAIC или фото SCR. Для заполнения пространства между двумя цепями можно использовать стекло, воздух или полупрозрачный пластик. Свет излучается светодиодом, а принимается и усиливается фототранзистором. Анод и катод светодиода — это первый и второй выводы, а эмиттер и коллектор фототранзистора — третий и четвертый выводы.

Работа оптопары:

Сначала на оптопару подается ток, который заставляет светодиод генерировать инфракрасный свет, пропорциональный протекающему через него току. Когда свет попадает на фотодатчик, он проводит ток и включается. ИК-луч выключается, когда ток, протекающий через светодиод, прерывается, что приводит к тому, что фотодатчик перестает проводить ток. Фотодатчик — это выходная схема, которая обнаруживает свет, а на выходе переменный или постоянный ток, в зависимости от типа выходной цепи.

Выход электрически изолированной цепи управляется путем регулировки входа цепи, что является основной концепцией работы оптопары. Источник напряжения обеспечивает вход для инфракрасного светодиода, и интенсивность источника напряжения может варьироваться путем изменения входного напряжения. Излучаемый свет имеет определенную длину волны. Этот свет улавливается фотодетектором, который превращает световую энергию в фототок. Генерируемый выходной ток затем усиливается. Выходной ток пропорционален количеству света, попадающего на устройство.

Преимущества оптопары:

• Компактность и меньший вес
• Низкая стоимость
• Очень быстрая работа
• Меньше шума
• Оптопара хорошо работает как на переменном, так и на постоянном токе сигналов высокого напряжения.
• Он также используется в ряде сенсорных приложений для определения присутствия физических объектов.
• Срок службы оптронов может превышать несколько десятков лет.
• Очень хороший отклик на низких частотах.
• Нет дребезга контактов, нет помех, вызванных дугой, износ схемы.
• Потребляет меньше энергии.
• Имеет высокую частоту переключений из-за короткого времени включения и выключения.

Недостатки оптопары:

• Оптопары не способны выдерживать большие токи
• Для работы оптопары требуется внешнее напряжение смещения.