Dvojica „optický žiarič – optický prijímač“ sa už dlho používa v elektronike a elektrotechnike. Elektronická súčiastka, v ktorej sú prijímač a vysielač umiestnené v rovnakom kryte a je medzi nimi optické spojenie, sa nazýva optočlen alebo optočlen.
Optočlenové zariadenie
Optočlen sa skladá z optického vysielača (emitora), optického kanála a prijímača optického signálu. Fotoprenášač prevádza elektrický signál na optický. Vysielač je vo väčšine prípadov LED (skoršie modely používali žiarovky alebo neónové žiarovky). Použitie LED diód nie je zásadné, ale sú odolnejšie a spoľahlivejšie.
Optický signál sa prenáša cez optický kanál do prijímača. Kanál je uzavretý - keď svetlo vyžarované vysielačom nepresahuje telo optočlena. Potom sa signál generovaný prijímačom synchronizuje so signálom na vstupe vysielača.Takéto kanály sú vzduchové alebo vyplnené špeciálnou optickou zmesou. Existujú aj "dlhé" optočleny, ktorých kanál je optické vlákno.
Ak je optočlen navrhnutý tak, že generované žiarenie pred dosiahnutím prijímača opustí puzdro, takýto kanál sa nazýva otvorený. Pomocou neho môžete zaregistrovať prekážky, ktoré vznikajú v dráhe svetelného lúča.
Fotodetektor vykonáva inverznú konverziu optického signálu na elektrický. Najčastejšie používané prijímače sú:
- Fotodiódy. Zvyčajne sa používa v digitálnych komunikačných linkách. Ich rodokmeň je malý.
- Fotorezistory. Ich vlastnosťou je obojsmerná vodivosť prijímača. Prúd cez odpor môže ísť oboma smermi.
- Fototranzistory. Vlastnosťou takýchto zariadení je schopnosť riadiť tranzistorový prúd cez optotransmiter aj cez výstupný obvod. Používa sa v lineárnom aj digitálnom režime. Samostatný typ optočlenov - s paralelne protiľahlými tranzistormi s efektom poľa. Takéto zariadenia sú tzv polovodičové relé.
- Fototyristory. Takéto optočleny sa vyznačujú zvýšeným výkonom výstupných obvodov a rýchlosťou ich spínania, takéto zariadenia sa pohodlne používajú v riadiacich prvkoch výkonovej elektroniky. Tieto zariadenia sú tiež kategorizované ako polovodičové relé.
Rozšírili sa mikroobvody optočlenov - zostavy optočlenov s páskovaním v jednom balení. Takéto optočleny sa používajú ako spínacie zariadenia a na iné účely.
Výhody a nevýhody
Prvou výhodou zaznamenanou pri optických prístrojoch je absencia mechanických častí.To znamená, že počas prevádzky nedochádza k treniu, opotrebovaniu, iskreniu kontaktov, ako pri elektromechanických relé. Na rozdiel od iných zariadení na galvanickú izoláciu signálov (transformátory a pod.) môžu optočleny pracovať pri veľmi nízkych frekvenciách vrátane jednosmerného prúdu.
Výhodou optickej izolácie je navyše veľmi nízka kapacitná a indukčná väzba medzi vstupom a výstupom. Vďaka tomu sa znižuje pravdepodobnosť prenosu impulzného a vysokofrekvenčného rušenia. Absencia mechanického a elektrického spojenia medzi vstupom a výstupom poskytuje možnosť rôznych technických riešení pre vytvorenie bezkontaktných ovládacích a spínacích obvodov.
Napriek obmedzeniam v reálnych návrhoch, pokiaľ ide o napätie a prúd pre vstup a výstup, teoreticky neexistujú žiadne zásadné prekážky pre zvýšenie týchto charakteristík. To vám umožňuje vytvárať optočleny pre takmer akúkoľvek úlohu.
Medzi nevýhody optočlenov patrí jednosmerný prenos signálu - nemožnosť preniesť optický signál z fotodetektora späť do vysielača. To sťažuje organizáciu spätnej väzby podľa odozvy prijímacieho obvodu na signál vysielača.
Reakciu prijímacej časti je možné ovplyvniť nielen zmenou vyžarovania vysielača, ale aj ovplyvnením stavu kanála (vzhľad cudzích predmetov, zmena optických vlastností kanálového média atď.). Takýto náraz môže mať aj neelektrickú povahu. Tým sa rozširujú možnosti použitia optočlenov. A necitlivosť na vonkajšie elektromagnetické polia vám umožňuje vytvárať kanály prenosu údajov s vysokou odolnosťou voči šumu.
Hlavnou nevýhodou optočlenov je nízka energetická účinnosť spojená so stratami signálu pri dvojitej konverzii signálu. Nevýhodou je tiež vysoká hladina vnútorného hluku. To znižuje citlivosť optočlenov a obmedzuje rozsah ich použitia tam, kde je potrebná práca so slabými signálmi.
Pri použití optočlenov treba brať do úvahy aj vplyv teploty na ich parametre - je významný. Okrem toho medzi nevýhody optočlenov patrí citeľné znehodnocovanie prvkov počas prevádzky a určitá netechnologickosť pri výrobe spojená s použitím rôznych polovodičových materiálov v jednom obale.
Charakteristika optočlenov
Parametre optočlenov spadajú do dvoch kategórií:
- charakterizovanie vlastností zariadenia na prenos signálu;
- charakterizujúce oddelenie medzi vstupom a výstupom.
Prvou kategóriou je aktuálny koeficient prenosu. Závisí to od emisivity LED, citlivosti prijímača a vlastností optického kanála. Tento koeficient sa rovná pomeru výstupného prúdu k vstupnému prúdu a pre väčšinu typov optočlenov je 0,005 ... 0,2. Pre tranzistorové prvky môže koeficient prenosu dosiahnuť 1.
Ak považujeme optočlen za štvorpólový, jeho vstupná charakteristika je úplne určená CVC optoemitora (LED) a výstupná charakteristika prijímača. Priechodná charakteristika je vo všeobecnosti nelineárna, ale niektoré typy optočlenov majú lineárne úseky. Takže časť CVC diódového optočlena má dobrú linearitu, ale táto časť nie je príliš veľká.
Rezistorové prvky sú tiež hodnotené pomerom tmavého odporu (so vstupným prúdom rovným nule) k svetelnému odporu. Pre tyristorové optočleny je dôležitou charakteristikou minimálny prídržný prúd v otvorenom stave. K významným parametrom optočlena patrí aj najvyššia pracovná frekvencia.
Kvalita galvanickej izolácie sa vyznačuje:
- maximálne napätie aplikované na vstup a výstup;
- maximálne napätie medzi vstupom a výstupom;
- izolačný odpor medzi vstupom a výstupom;
- priechodná kapacita.
Posledný parameter charakterizuje schopnosť elektrického vysokofrekvenčného signálu uniknúť zo vstupu na výstup, obchádzať optický kanál cez kapacitu medzi elektródami.
Existujú parametre, ktoré vám umožňujú určiť možnosti vstupného obvodu:
- najvyššie napätie, ktoré možno použiť na vstupné svorky;
- maximálny prúd, ktorý LED vydrží;
- pokles napätia na LED pri menovitom prúde;
- Obrátené vstupné napätie - Obrátené napätie, ktoré LED dióda vydrží.
Pre výstupný obvod budú tieto charakteristiky maximálne prípustný výstupný prúd a napätie, ako aj zvodový prúd pri nulovom vstupnom prúde.
Rozsah optočlenov
Optočleny s uzavretým kanálom sa používajú tam, kde sa z nejakého dôvodu (elektrická bezpečnosť a pod.) vyžaduje oddelenie medzi zdrojom signálu a prijímacou stranou. Napríklad v spätnoväzbových slučkách spínacie zdroje - signál sa odoberá z výstupu PSU, privádza sa do vyžarovacieho prvku, ktorého jas závisí od úrovne napätia.Signál v závislosti od výstupného napätia je odoberaný z prijímača a privádzaný do PWM regulátora.
Fragment obvodu napájania počítača s dvoma optočlenmi je znázornený na obrázku. Horný optočlen IC2 vytvára spätnú väzbu, ktorá stabilizuje napätie. Spodný IC3 pracuje v diskrétnom režime a napája čip PWM, keď je prítomné pohotovostné napätie.
Niektoré štandardné elektrické rozhrania vyžadujú aj galvanickú izoláciu medzi zdrojom a prijímačom.
Zariadenia s otvoreným kanálom sa používajú na vytváranie snímačov na detekciu akýchkoľvek predmetov (prítomnosť papiera v tlačiarni), koncových spínačov, počítadiel (predmety na dopravníku, počet zubov ozubených kolies v manipulátoroch myši) atď.
Polovodičové relé sa používajú na rovnakom mieste ako bežné relé - na spínanie signálov. Ich šíreniu však bráni vysoký odpor kanála v otvorenom stave. Používajú sa aj ako budiče pre prvky výkonovej polovodičovej elektroniky (výkonné tranzistory s efektom poľa alebo IGBT).
Optočlen bol vyvinutý pred viac ako polstoročím, ale jeho rozšírené používanie sa začalo po tom, čo sa LED diódy stali cenovo dostupnými a lacnými. Teraz sa vyvíjajú všetky nové modely optočlenov (väčšinou na nich založené mikroobvody) a ich rozsah sa len rozširuje.
Podobné články:
