Para nadajnik optyczny - odbiornik optyczny jest od dawna wykorzystywana w elektronice i elektrotechnice. Element elektroniczny, w którym odbiornik i nadajnik znajdują się w tej samej obudowie, a pomiędzy nimi istnieje komunikacja optyczna, nazywany jest transoptorami lub transoptorami.
Optron Design
Optrony składają się z nadajnika optycznego (emitera), kanału optycznego i odbiornika optycznego. Nadajnik światła przekształca sygnał elektryczny na sygnał optyczny. W większości przypadków nadajnikiem jest dioda LED (we wczesnych modelach stosowano żarówki lub żarówki neonowe). Zastosowanie diod LED nie jest kluczowe, ale są one trwalsze i bardziej niezawodne.
Sygnał optyczny jest transmitowany przez kanał optyczny do odbiornika. Kanał może być zamknięty - gdy światło emitowane przez nadajnik nie opuszcza korpusu transoptora. Sygnał generowany przez odbiornik jest następnie synchronizowany z sygnałem na wejściu nadajnika. Kanały te mogą być wypełnione powietrzem lub specjalną masą optyczną. Istnieją również transoptory "długie", w których kanał jest światłowód.
Jeśli transoptor jest zaprojektowany w taki sposób, że generowane promieniowanie opuszcza obudowę przed dotarciem do odbiornika, to jest to tzw. kanał otwarty. Można go wykorzystać do wykrywania przeszkód na drodze wiązki światła.
Fotodetektor przekształca sygnał optyczny z powrotem na sygnał elektryczny. Najczęściej stosowane odbiorniki to:
- Fotodiody. Zazwyczaj stosowane w cyfrowych liniach komunikacyjnych. Mają one małą rozpiętość liniową.
- Fotorezystory. Ich cechą szczególną jest dwukierunkowa przewodność odbiornika. Przez rezystor może płynąć prąd w obu kierunkach.
- Fototranzystory. Cechą tych urządzeń jest możliwość sterowania prądem tranzystora przez opto-tranzystor, jak również przez obwód wyjściowy. Są one używane zarówno w trybie liniowym, jak i cyfrowym. Oddzielnym rodzajem transoptorów są transoptory z tranzystorami polowymi przełączanymi równolegle. Urządzenia te są nazywane Przekaźniki półprzewodnikowe.
- Fototyrystory. Optoizolatory te charakteryzują się zwiększoną mocą wyjściową i szybkością przełączania oraz są przydatne do sterowania układami energoelektronicznymi. Urządzenia te są również zaliczane do kategorii przekaźników półprzewodnikowych.
Powszechnie stosowane mikroukłady transoptorowe to zespoły transoptorowe z interkonektami transoptorowymi w tej samej obudowie. Optosprzęgła są stosowane jako urządzenia przełączające i do innych celów.
Zalety i wady
Pierwszą zaletą transoptorów jest to, że nie mają one części mechanicznych. Oznacza to, że podczas pracy nie występuje tarcie, zużycie i iskrzenie styków, jak ma to miejsce w przypadku przekaźników elektromechanicznych. W przeciwieństwie do innych galwanicznych urządzeń izolujących sygnały (transformatory itp.), transoptory mogą pracować przy bardzo niskich częstotliwościach, w tym przy prądzie stałym.
Ponadto zaletą izolatorów optycznych jest bardzo małe sprzężenie pojemnościowe i indukcyjne między wejściem a wyjściem. Zmniejsza to prawdopodobieństwo transmisji impulsów i zakłóceń o wysokiej częstotliwości. Brak sprzężenia mechanicznego i elektrycznego między wejściem a wyjściem zapewnia szeroki zakres rozwiązań technicznych dla układów sterowania zbliżeniowego i przełączania.
Chociaż rzeczywiste konstrukcje są ograniczone pod względem napięcia i prądu na wejściu i wyjściu, nie ma zasadniczych przeszkód teoretycznych, aby zwiększyć te charakterystyki. Dzięki temu można zaprojektować transoptory do niemal każdego zastosowania.
Jedną z wad transoptorów jest jednokierunkowa transmisja sygnałów - nie jest możliwe przesłanie sygnału optycznego z fotodetektora z powrotem do nadajnika. Utrudnia to dopasowanie sprzężenia zwrotnego obwodu odbiornika do sygnału nadajnika.
Na odpowiedź części odbiorczej można wpływać nie tylko przez zmianę emisji nadajnika, ale także przez wpływ na stan kanału (pojawienie się obcych obiektów, zmiany właściwości optycznych medium kanału itp.) Oddziaływanie takie może mieć również charakter nieelektryczny. Rozszerza to możliwości zastosowania transoptorów. Niewrażliwość na zewnętrzne pola elektromagnetyczne umożliwia tworzenie kanałów danych o wysokiej odporności na zakłócenia.
Główną wadą transoptorów jest niska sprawność energetyczna wynikająca ze strat sygnału związanych z podwójną konwersją sygnału. Za wadę uważa się również wysoki poziom szumów własnych. Zmniejsza to czułość transoptorów i ogranicza ich zastosowanie do słabych sygnałów.
Przy stosowaniu transoptorów należy również uwzględnić wpływ temperatury na ich parametry - jest on znaczny. Ponadto wadą transoptorów jest zauważalna degradacja elementów podczas pracy oraz pewien brak technologii produkcji związany z zastosowaniem różnych materiałów półprzewodnikowych w jednym pakiecie.
Charakterystyka transoptora
Specyfikacje transoptorów są podzielone na dwie kategorie:
- Charakteryzowanie właściwości urządzenia do przesyłania sygnału;
- charakteryzujące odsprzęganie między wejściem a wyjściem.
Pierwszą kategorią jest współczynnik przenoszenia prądu. Zależy ona od emisyjności diody LED, czułości odbiornika i właściwości kanału optycznego. Jest to stosunek prądu wyjściowego do prądu wejściowego, który w przypadku większości typów transoptorów wynosi od 0,005 do 0,2. Elementy tranzystorowe mogą mieć wzmocnienie nawet do 1.
Jeśli potraktować transoptor jako czworobok, to jego charakterystyka wejściowa jest całkowicie zdeterminowana przez charakterystykę wyjściową optoemitera (diody LED) i charakterystykę wyjściową odbiornika. Charakterystyka wyjściowa jest na ogół nieliniowa, ale niektóre typy transoptorów mają sekcje liniowe. Na przykład transoptory diodowe charakteryzują się dobrą liniowością, ale ich przekrój nie jest zbyt duży.
Elementy rezystorowe są również oceniane na podstawie stosunku rezystancji ciemnej (przy prądzie wejściowym równym zero) do rezystancji jasnej. W przypadku transoptorów tyrystorowych ważną cechą jest minimalny prąd trzymania w stanie otwartym. Ważną cechą transoptora jest również najwyższa częstotliwość pracy.
Jakość izolacji galwanicznej jest charakteryzowana przez:
- największe napięcie przyłożone do wejścia i wyjścia;
- najwyższe napięcie między wejściem a wyjściem;
- rezystancja izolacji między wejściem a wyjściem;
- Pojemność przelotowa.
Ten ostatni parametr charakteryzuje zdolność elektrycznego sygnału wysokiej częstotliwości do przejścia z wejścia na wyjście, z pominięciem kanału optycznego, dzięki pojemności między elektrodami.
Istnieją parametry pozwalające określić możliwości obwodu wejściowego:
- Największe napięcie, jakie można przyłożyć do przewodów wejściowych;
- Największy prąd, jaki może wytrzymać dioda LED;
- Spadek napięcia na diodzie LED przy prądzie znamionowym;
- Odwrotne napięcie wejściowe - napięcie o odwrotnej polaryzacji, jakie może wytrzymać dioda LED.
W przypadku obwodu wyjściowego będą to najwyższe dopuszczalne wartości prądu i napięcia wyjściowego oraz prąd upływu przy zerowym prądzie wejściowym.
Zastosowania transoptorów
Optoizolatory z kanałem zamkniętym są stosowane tam, gdzie z jakichś powodów (bezpieczeństwo elektryczne itp.) wymagane jest odsprzężenie źródła sygnału od odbiornika. Na przykład, w obwodach sprzężenia zwrotnego zasilaczy impulsowych - Sygnał jest pobierany z wyjścia zasilacza i doprowadzany do elementu emitującego światło, którego jasność zależy od poziomu napięcia. Sygnał zależny od napięcia wyjściowego jest pobierany z odbiornika i podawany do sterownika PWM.
Schemat ideowy zasilacza komputerowego z dwoma transoptorami pokazano na rysunku. Górny transoptor IC2 zapewnia sprzężenie zwrotne stabilizujące napięcie. Dolny IC3 działa w trybie dyskretnym i zasila układ scalony PWM, gdy obecne jest napięcie stanu gotowości.
Izolacja galwaniczna między źródłem a odbiornikiem jest również wymagana przez niektóre standardowe interfejsy elektryczne.
Urządzenia z otwartym kanałem są wykorzystywane do tworzenia czujników wykrywających obiekty (obecność papieru w drukarce), wyłączników krańcowych, liczników (elementów na taśmie przenośnika, liczby zębów w myszy itd.
Przekaźniki półprzewodnikowe są używane w taki sam sposób jak przekaźniki konwencjonalne - do przełączania sygnałów. Ich zastosowanie jest jednak ograniczone ze względu na dużą rezystancję kanału w stanie otwartym. Są one również stosowane jako sterowniki elementów półprzewodnikowych układów energoelektronicznych (tranzystory polowe dużej mocy lub IGBT).
Optron został opracowany ponad pół wieku temu, ale zaczął być powszechnie stosowany, gdy diody LED stały się dostępne i niedrogie. Obecnie opracowywane są wszystkie nowe modele transoptorów (a głównie oparte na nich mikroukłady), a zakres ich zastosowań tylko się rozszerza.
Powiązane artykuły:
