Az "optikai emitter - optikai vevő" pár régóta használatos az elektronikában és az elektrotechnikában. Optocsatolónak vagy optocsatolónak nevezzük azt az elektronikus alkatrészt, amelyben a vevő és az adó ugyanabban a házban található, és optikai kapcsolat van közöttük.
Optocsatoló eszköz
Az optocsatoló egy optikai adóból (emitterből), egy optikai csatornából és egy optikai jelvevőből áll. A fototranszmitter az elektromos jelet optikai jellé alakítja át. Az adó a legtöbb esetben LED (a korábbi modellek izzó- vagy neonlámpákat használtak). A LED-ek használata elvtelen, de tartósabbak és megbízhatóbbak.
Az optikai jelet egy optikai csatornán keresztül továbbítják a vevőhöz. A csatorna zárva van - ha az adó által kibocsátott fény nem megy túl az optocsatoló testén. Ezután a vevő által generált jel szinkronizálódik az adó bemenetén lévő jellel.Az ilyen csatornák levegősek vagy speciális optikai vegyülettel vannak feltöltve. Vannak "hosszú" optocsatolók is, amelyekben a csatorna van optikai szál.
Ha az optocsatolót úgy tervezték meg, hogy a keletkezett sugárzás, mielőtt elérné a vevőt, elhagyja a házat, egy ilyen csatornát nyitottnak nevezünk. Ezzel regisztrálhatja a fénysugár útjában fellépő akadályokat.
A fotodetektor végzi az optikai jel inverz átalakítását elektromos jellé. A leggyakrabban használt vevőkészülékek:
- Fotodiódák. Általában digitális kommunikációs vonalakban használják. A származásuk kicsi.
- Fotoellenállások. Jellemzőjük a vevő kétirányú vezetőképessége. Az ellenálláson áthaladó áram mindkét irányba haladhat.
- Fototranzisztorok. Az ilyen eszközök jellemzője a tranzisztor áramának vezérlése mind az optotranszmitteren, mind a kimeneti áramkörön keresztül. Lineáris és digitális módban egyaránt használható. Külön típusú optocsatolók - párhuzamosan ellentétes térhatású tranzisztorokkal. Az ilyen eszközöket ún szilárdtest relék.
- Fototirisztorok. Az ilyen optocsatolókat a kimeneti áramkörök megnövekedett teljesítménye és kapcsolási sebessége különbözteti meg; az ilyen eszközöket kényelmesen használják a teljesítményelektronika elemeinek vezérlésére. Ezek az eszközök a szilárdtestrelék kategóriába is tartoznak.
Az optocsatoló mikroáramkörök széles körben elterjedtek - az optocsatolók szerelvényei pánttal egy csomagban. Az ilyen optocsatolókat kapcsolókészülékként és egyéb célokra használják.
Előnyök és hátrányok
Az optikai műszerek első előnye a mechanikus alkatrészek hiánya.Ez azt jelenti, hogy működés közben nincs súrlódás, kopás, érintkezők szikrázása, mint az elektromechanikus reléknél. A jelek galvanikus leválasztására szolgáló egyéb eszközöktől (transzformátorok stb.) ellentétben az optocsatolók nagyon alacsony frekvencián működhetnek, beleértve az egyenáramot is.
Ezenkívül az optikai leválasztás előnye a nagyon alacsony kapacitív és induktív csatolás a bemenet és a kimenet között. Ennek köszönhetően csökken az impulzusok és a nagyfrekvenciás interferencia átvitelének valószínűsége. A bemenet és a kimenet közötti mechanikus és elektromos kapcsolat hiánya sokféle műszaki megoldást tesz lehetővé érintésmentes vezérlő- és kapcsolóáramkörök létrehozására.
Annak ellenére, hogy a valós kivitelben a bemeneti és kimeneti feszültség és áram korlátozott, elméletileg nincs alapvető akadálya e jellemzők növelésének. Ezzel szinte bármilyen feladathoz optocsatolókat hozhat létre.
Az optocsatolók hátrányai közé tartozik az egyirányú jelátvitel - lehetetlen az optikai jelet a fotodetektorból visszavinni az adóba. Ez megnehezíti a visszacsatolás megszervezését a vevő áramkör adójelre adott válasza szerint.
A vevő rész reakciója nem csak az adó sugárzásának változtatásával befolyásolható, hanem a csatorna állapotának befolyásolásával is (harmadik féltől származó objektumok megjelenése, a csatorna közeg optikai tulajdonságainak megváltoztatása stb.). Az ilyen hatás lehet nem elektromos jellegű is. Ez kibővíti az optocsatolók alkalmazási lehetőségeit. A külső elektromágneses mezőkre való érzéketlenség pedig lehetővé teszi nagy zajállósággal rendelkező adatátviteli csatornák létrehozását.
Az optocsatolók fő hátránya az alacsony energiahatékonyság, amely a kettős jelátalakítás során bekövetkező jelveszteséggel jár. Hátránya még a magas belső zajszint. Ez csökkenti az optocsatolók érzékenységét, és korlátozza alkalmazási körüket, ahol gyenge jelekkel kell dolgozni.
Optocsatolók használatakor figyelembe kell venni a hőmérsékletnek a paramétereikre gyakorolt hatását is - ez jelentős. Ezen túlmenően, az optocsatolók hátrányai közé tartozik az elemek észrevehető leromlása működés közben, valamint a gyártás során tapasztalható technológiai hiányosságok, amelyek a különböző félvezető anyagok egy csomagban történő felhasználásával kapcsolatosak.
Optocsatolók jellemzői
Az optocsatoló paraméterei két kategóriába sorolhatók:
- jelátvitelre alkalmas eszköz tulajdonságainak jellemzése;
- jellemzi a bemenet és a kimenet közötti szétválasztást.
Az első kategória az aktuális átviteli együttható. Ez a LED emissziós tényezőjétől, a vevő érzékenységétől és az optikai csatorna tulajdonságaitól függ. Ez az együttható megegyezik a kimeneti áram és a bemeneti áram arányával, és a legtöbb optocsatoló esetében 0,005 ... 0,2. A tranzisztoros elemeknél az átviteli együttható elérheti az 1-et.
Ha az optocsatolót négypólusúnak tekintjük, akkor a bemeneti karakterisztikáját teljes mértékben az opto-emitter (LED) CVC-je, a kimenetét pedig a vevő karakterisztikája határozza meg. Az áteresztő karakterisztika általában nem lineáris, de bizonyos típusú optocsatolóknak van lineáris szakasza. Tehát a dióda optocsatoló CVC-jének egy része jó linearitású, de ez a szakasz nem túl nagy.
Az ellenálláselemeket a sötét ellenállás (nulla bemeneti árammal) és a fényellenállás aránya is értékeli. A tirisztoros optocsatolók esetében fontos jellemző a minimális tartóáram nyitott állapotban. Az optocsatoló jelentős paraméterei közé tartozik a legmagasabb működési frekvencia is.
A galvanikus szigetelés minőségét a következők jellemzik:
- a bemenetre és a kimenetre adott maximális feszültség;
- maximális feszültség a bemenet és a kimenet között;
- szigetelési ellenállás a bemenet és a kimenet között;
- áthaladási kapacitás.
Az utolsó paraméter egy elektromos nagyfrekvenciás jel azon képességét jellemzi, hogy az elektródák közötti kapacitáson keresztül az optikai csatornát megkerülve a bemenetről a kimenetre szivárogjon.
Vannak olyan paraméterek, amelyek lehetővé teszik a bemeneti áramkör képességeinek meghatározását:
- a bemeneti kapcsokra kapcsolható legmagasabb feszültség;
- a maximális áramerősség, amelyet a LED képes ellenállni;
- feszültségesés a LED-en névleges áramerősség mellett;
- Fordított bemeneti feszültség – Fordított polaritású feszültség, amelyet a LED ellenáll.
A kimeneti áramkör esetében ezek a jellemzők a legnagyobb megengedett kimeneti áram és feszültség, valamint a szivárgási áram nulla bemeneti áram mellett.
Optocsatolók köre
A zárt csatornás optocsatolókat ott alkalmazzák, ahol valamilyen okból (elektromos biztonság, stb.) a jelforrás és a vevőoldal közötti szétválasztás szükséges. Például visszacsatolási hurkokban kapcsolóüzemű tápegységek - a jelet a PSU kimenetről veszi, a sugárzó elemre táplálja, melynek fényereje a feszültségszinttől függ.A kimeneti feszültségtől függő jelet vesz a vevő és továbbítja a PWM vezérlőhöz.
Az ábrán egy két optocsatolóval ellátott számítógép tápáramkör töredéke látható. A felső IC2 optocsatoló visszacsatolást hoz létre, amely stabilizálja a feszültséget. Az alsó IC3 diszkrét üzemmódban működik, és táplálja a PWM chipet, ha készenléti feszültség van.
Néhány szabványos elektromos interfész szintén megköveteli a forrás és a vevő közötti galvanikus leválasztást.
A nyitott csatornával rendelkező eszközök érzékelők létrehozására szolgálnak bármilyen objektum (papír jelenléte a nyomtatóban), végálláskapcsolók, számlálók (tárgyak a szállítószalagon, fogaskerekek fogainak száma az egér manipulátorokban) stb.
A félvezető relék ugyanott használatosak, mint a hagyományos relék - jelek kapcsolására. De terjedésüket akadályozza a csatorna nagy ellenállása nyitott állapotban. Meghajtóként is használják a szilárdtest-elektronika (erőteljes térhatású vagy IGBT-tranzisztorok) elemeihez.
Az optocsatolót több mint fél évszázaddal ezelőtt fejlesztették ki, de széles körű használata azután kezdődött, hogy a LED-ek megfizethetővé és olcsóvá váltak. Most az optocsatolók összes új modelljét fejlesztik (leginkább az ezeken alapuló mikroáramkörök), és hatókörük csak bővül.
Hasonló cikkek:
