Par "optični oddajnik - optični sprejemnik" se že dolgo uporablja v elektroniki in elektrotehniki. Elektronska komponenta, pri kateri sta sprejemnik in oddajnik nameščena v istem ohišju in je med njima optična povezava, se imenuje optospojnik ali optični sklopnik.
Vsebina
Optocoupler naprava
Optični sklopnik je sestavljen iz optičnega oddajnika (oddajnika), optičnega kanala in sprejemnika optičnega signala. Fotooddajnik pretvori električni signal v optični. Oddajnik je v večini primerov LED (prejšnji modeli so uporabljali žarnice z žarilno nitko ali neonske žarnice). Uporaba LED je nenačelna, so pa bolj trpežne in zanesljive.
Optični signal se po optičnem kanalu prenaša do sprejemnika. Kanal je zaprt - ko svetloba, ki jo oddaja oddajnik, ne presega telesa optospojnika. Nato se signal, ki ga ustvari sprejemnik, sinhronizira s signalom na vhodu oddajnika.Takšni kanali so zračni ali napolnjeni s posebno optično spojino. Obstajajo tudi "dolgi" optični sklopniki, kanal v katerem je optična vlakna.
Če je optični sklopnik zasnovan tako, da ustvarjeno sevanje, preden doseže sprejemnik, zapusti ohišje, se tak kanal imenuje odprt. Z njim lahko registrirate ovire, ki nastanejo na poti svetlobnega snopa.
Fotodetektor izvaja inverzno pretvorbo optičnega signala v električni. Najpogosteje uporabljeni sprejemniki so:
- Fotodiode. Običajno se uporablja v digitalnih komunikacijskih linijah. Njihov rod je majhen.
- Fotoupori. Njihova značilnost je dvosmerna prevodnost sprejemnika. Tok skozi upor lahko teče v obe smeri.
- Fototranzistorji. Značilnost takšnih naprav je zmožnost krmiljenja toka tranzistorja tako prek optooddajnika kot prek izhodnega vezja. Uporablja se v linearnem in digitalnem načinu. Ločena vrsta optičnih sklopnikov - z vzporedno nasprotnimi tranzistorji na polju. Takšne naprave se imenujejo polprevodniški releji.
- Fototiristorji. Takšne optospojnike odlikuje povečana moč izhodnih vezij in njihova preklopna hitrost; takšne naprave se priročno uporabljajo pri krmiljenju elementov močnostne elektronike. Te naprave so tudi kategorizirane kot polprevodniški releji.
Mikrovezja optičnih sklopov so postala zelo razširjena - sklopi optičnih sklopnikov z vezanjem v enem paketu. Takšni optični sklopniki se uporabljajo kot stikalne naprave in za druge namene.
Prednosti in slabosti
Prva prednost optičnih instrumentov je odsotnost mehanskih delov.To pomeni, da med delovanjem ni trenja, obrabe, iskrenja kontaktov, kot pri elektromehanskih relejih. Za razliko od drugih naprav za galvansko izolacijo signalov (transformatorji ipd.), lahko optični sklopniki delujejo pri zelo nizkih frekvencah, vključno z enosmernim tokom.
Poleg tega je prednost optične izolacije zelo nizka kapacitivna in induktivna povezava med vhodom in izhodom. Zaradi tega se zmanjša verjetnost prenosa impulzov in visokofrekvenčnih motenj. Odsotnost mehanske in električne povezave med vhodom in izhodom zagotavlja možnost različnih tehničnih rešitev za izdelavo brezkontaktnih krmilnih in stikalnih vezij.
Kljub omejitvam v realnih zasnovah glede napetosti in toka za vhod in izhod, v teoriji ni temeljnih ovir za povečanje teh lastnosti. To vam omogoča ustvarjanje optičnih sklopnikov za skoraj vsako nalogo.
Pomanjkljivosti optičnih sklopnikov vključujejo enosmerni prenos signala - nemogoče je oddajati optični signal iz fotodetektorja nazaj na oddajnik. Zaradi tega je težko organizirati povratne informacije glede na odziv sprejemnega vezja na signal oddajnika.
Na reakcijo sprejemnega dela lahko vplivamo ne le s spreminjanjem sevanja oddajnika, ampak tudi z vplivom na stanje kanala (pojav predmetov tretjih oseb, spreminjanje optičnih lastnosti kanalskega medija itd.). Tak vpliv je lahko tudi neelektrične narave. S tem se razširijo možnosti uporabe optičnih sklopnikov. In neobčutljivost na zunanja elektromagnetna polja vam omogoča ustvarjanje kanalov za prenos podatkov z visoko odpornostjo proti hrupu.
Glavna pomanjkljivost optičnih sklopnikov je nizka energetska učinkovitost, povezana z izgubami signala med dvojno pretvorbo signala. Pomanjkljivost je tudi visoka raven notranjega hrupa. To zmanjša občutljivost optičnih sklopnikov in omejuje obseg njihove uporabe, kjer je potrebno delo s šibkimi signali.
Pri uporabi optičnih sklopov je treba upoštevati tudi vpliv temperature na njihove parametre - pomemben je. Poleg tega so slabosti optospojnikov opazna degradacija elementov med delovanjem in določeno pomanjkanje tehnologije v proizvodnji, povezano z uporabo različnih polprevodniških materialov v enem paketu.
Značilnosti optičnih sklopnikov
Parametri optospojnika sodijo v dve kategoriji:
- karakterizacija lastnosti naprave za prenos signala;
- ki označuje ločitev med vhodom in izhodom.
Prva kategorija je trenutni prenosni koeficient. Odvisno je od emisivnosti LED, občutljivosti sprejemnika in lastnosti optičnega kanala. Ta koeficient je enak razmerju med izhodnim in vhodnim tokom in je za večino vrst optičnih sklopnikov 0,005 ... 0,2. Za tranzistorske elemente lahko koeficient prenosa doseže 1.
Če optični sklopnik obravnavamo kot štiripolni, potem je njegova vhodna značilnost v celoti določena s CVC opto-oddajnika (LED), izhodna pa z lastnostjo sprejemnika. Prehodna značilnost je na splošno nelinearna, vendar imajo nekatere vrste optičnih sklopnikov linearne odseke. Torej ima del CVC diodnega optospojnika dobro linearnost, vendar ta odsek ni zelo velik.
Elementi upora se ocenjujejo tudi z razmerjem med temno upornostjo (z vhodnim tokom enak nič) in svetlobno odpornostjo. Za tiristorske optospojnike je pomembna značilnost minimalni zadrževalni tok v odprtem stanju. Pomembni parametri optospojnika vključujejo tudi najvišjo delovno frekvenco.
Za kakovost galvanske izolacije je značilno:
- največja napetost na vhodu in izhodu;
- največja napetost med vhodom in izhodom;
- izolacijska upornost med vhodom in izhodom;
- zmogljivost prehoda.
Zadnji parameter označuje sposobnost električnega visokofrekvenčnega signala, da pušča z vhoda na izhod, mimo optičnega kanala, skozi kapacitivnost med elektrodama.
Obstajajo parametri, ki vam omogočajo določitev zmogljivosti vhodnega vezja:
- najvišja napetost, ki jo je mogoče uporabiti na vhodnih sponkah;
- največji tok, ki ga LED lahko zdrži;
- padec napetosti na LED pri nazivnem toku;
- Povratna vhodna napetost - napetost obrnjene polarnosti, ki jo LED lahko zdrži.
Za izhodno vezje bodo te značilnosti največji dovoljeni izhodni tok in napetost ter tok uhajanja pri ničelnem vhodnem toku.
Obseg optičnih sklopnikov
Optični sklopniki z zaprtim kanalom se uporabljajo tam, kjer je iz nekega razloga (električna varnost itd.) potrebna ločitev med izvorom signala in sprejemno stranjo. Na primer v povratnih zankah stikalne napajalnike - signal se vzame iz izhoda PSU, ki se dovaja na sevalni element, katerega svetlost je odvisna od stopnje napetosti.Signal, ki je odvisen od izhodne napetosti, se vzame iz sprejemnika in se napaja v PWM krmilnik.
Na sliki je prikazan fragment računalniškega napajalnega vezja z dvema optičnima sklopnikoma. Zgornji optični sklopnik IC2 ustvarja povratno informacijo, ki stabilizira napetost. Spodnji IC3 deluje v diskretnem načinu in napaja čip PWM, ko je prisotna napetost v stanju pripravljenosti.
Galvansko izolacijo med virom in sprejemnikom zahtevajo tudi nekateri standardni električni vmesniki.
Naprave z odprtim kanalom se uporabljajo za ustvarjanje senzorjev za zaznavanje kakršnih koli predmetov (prisotnost papirja v tiskalniku), končnih stikal, števcev (predmeti na tekočem traku, število zob zobnikov v manipulatorjih miške) itd.
Polprevodniški releji se uporabljajo na istem mestu kot običajni releji - za preklopne signale. Toda njihovo širjenje ovira visoka odpornost kanala v odprtem stanju. Uporabljajo se tudi kot gonilniki za elemente močnostne polprevodniške elektronike (močni poljski ali IGBT tranzistorji).
Optični sklopnik je bil razvit pred več kot pol stoletja, vendar se je njegova široka uporaba začela, ko so LED diode postale cenovno dostopne in poceni. Zdaj se razvijajo vsi novi modeli optičnih sklopnikov (večinoma mikrovezja, ki temeljijo na njih), njihov obseg pa se le širi.
Podobni članki:
