ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ ПАРА

Оптопара принцип работы, оптроны принцип работы

Что такое оптопара – электронно-оптический аппарат (прибор), в котором присутствуют источник светового излучения и приемник того же излучения – фотоприемник, которые в свою очередь связаны конструктивно электрическими и оптическими связями.

В практическом применении наибольшего распространения нашли оптроны (в последнее время приобрели название оптопары), в которых нет электрических связей между приемником и излучателем, а есть только оптическая связь. По сложности составляющих структурных схем в оптронных изделиях различают 2 группы приборов:

• Оптопара – полупроводниковый оптическо-электронный прибор, в котором оптическая связь обеспечивает изоляцию входа и выхода излучающего и принимающего элементов.
• Электронно-оптическая микросхема, которая состоит из определенного количества оптопар и так называемых усилителей, которые имеют электрическое соединение с элементами оптронов.

Рисунок 1 – Общий вид оптопары в герметичном корпусе

Принцип работы оптопары

Основное предназначение оптопары заключается в развязке сигнальных цепей гальваническим методом.

Принцип действия оптопары для всех видов фотоприемников и излучательных элементов практически одинаковый и состоит в следующем: формируемый электрический сигнал на входе в излучатель, трансформируется в поток света, который далее принимается фотоэлементом и меняет проводимость последнего – меняя его сопротивление.

Другими словами принцип действия оптрона заключается в двойном трансформировании энергии.

Как работают оптронные устройства

Рассмотрим работу двух видов оптронных устройств: оптическо-электронное и оптическое.

Работа оптическо-электронного аппарата основывается на превращении энергии света в электрическую. Переход энергии происходит при помощи твердого тела и процессов электрических фотоэффектов и сияния («горения», «свечения») при воздействии электрического поля.

Функционирование оптического устройства происходит при тесном взаимодействии электромагнитного испускания и твердого тела.

Схемы работы оптопар

Применение оптопар (оптронов) позволяет решать множество задач, в частности контроль значений параметров от различных датчиков – уровень, влажность, концентрация и т.д); использование в устройствах автоматики и релейных защит электрооборудования; в диагностических аппаратах. В тех или иных случаях схемы включения оптопар отличны друг от друга.

В качестве примера приведем несколько линейных схем:

Рисунок 2 – Линейная развязка аналогового сигнала с помощью оптронов: 01- оптопары; У1, У2 – усилители

Передача аналоговых сигналов осуществляется по развязанной гальванически цепи с использованием двух одинаковых оптронов, один из которых предназначен осуществляет обратную связь.

Рисунок 3 – Развязка между блоков U1- оптопара; VT1 – транзистор; R2 – сопротивление

Часто применяется в радиотехнике. Выходной сигнал Блока 1 подается на Блок 2 посредством оптопары-диода. В случае использования в Блоке 2 микросхемы с небольшим током на входе, то усилитель не требуется и оптопара-диод работает в фотогенерирующем режиме.

Рисунок 4 – Реле оптоэлектронное

Сигналы от фотоприемника оптопары удобно и практично использовать на воздействие исполнительных механизмов опять же через гальваническую развязку (к примеру: включение света, электродвигателе и другого оборудования).

На рисунке 4 изображена схема полупроводникового разомкнутого реле. Коммутация тока происходит в реле. Транзистор оптопары принимает фотосигнал и открывает VT1, VT2 транзисторы, далее включается нагрузка.

Устройство оптронов

В качестве излучателя используется светодиод, который размещается сверху в металлическом корпусе. В нижней части расположен фотоприемник (кремниевый кристалл). Свободное пространство заполняется затвердевающей массой, которая полностью прозрачна. Последняя покрыта отражателем для направления лучей, чтобы не рассеивались лучи за пределы зоны приемника.

Как правило, вывода оптронов заливаются жидким стеклом. Верхняя и нижняя часть крышки корпуса соединяются при помощи сварки.

Оптрон-резистор практически не отличается от вышеописанной конструкции. В нем используется в качестве излучателя лампа накала, а приемник выполнен из кадмия селенистого.

Применение оптопар

На сегодняшнее время оптопары очень хорошо изучены и широко распространены в различных сферах деятельности. Особое место применения оптронов в схемах для логического согласования различных блоков, которые содержат элементы с исполнительными органами.

Как уже было сказано, ранее оптроны применяются для гальванической развязки в цепях с отличными блоками, преобразования и модуляции импульсов для управления аппаратами, контроля и управления, сигнализации и защиты электрического оборудования и процессов (счетчики, коммутаторы, реле, электрические измерительные устройства).

Достоинства и недостатки оптопар

К основным достоинствам оптронов относится следующее:

• управление различного рода объектами осуществляется бесконтактно;
• разнообразие и гибкость управления;
• абсолютная невосприимчивость и независимость от посторонних электромагнитных волн, что не создает дополнительных помех в работе;
• возможность использования, как импульса, так и постоянного сигнала;
• возможность изменения выходного сигнала за счет воздействия на вещество оптоканала (из этого следует возможность использования датчиков различных типов);
• конструктивная и физическая совместимость с иными электронными и полупроводниковыми аппаратами и приборами;
• с точки зрения пропускания оптопары, то в низких частотах нет ограничений.

К недостаткам оптронов относятся:

• достаточно на высоком уровне потребляемая мощность, вызванная двойной трансформацией энергии (электрический ток – световой поток – электрический ток;
• сравнительно невысокий КПД переходных процессов;
• снижение качества параметров в процессе длительного времени;
• высокий уровень шумовых характеристик;
• достаточно сложно реализовать обратную связь из-за разностью выходных и входных схем.

Источник: https://principraboty.ru/optopara-princip-raboty-optrony-princip-raboty/

Оптопара (оптрон, оптореле) – применение, классификация, параметры и особенности работы

Оптопарой (иначе – оптроном) называют электронные прибора предназначенные для преобразования электрических сигналов в световые, их передачи через оптические каналы и повторного преобразования сигнала вновь в электрический.

Конструкция оптрона подразумевает наличие специального светового излучателя (в современных устройствах для этого применяются световые диоды, прежние модели оснащались малогабаритными лампами накаливания) и устройства, отвечающего за преобразование полученного оптического сигнала (фотоприёмника).

Обе эти составляющие объединяются при помощи оптического канала и общего корпуса.

Классификация разновидностей оптопар

Существует несколько характеристик, в соответствии с которыми можно разделить модели оптопар на несколько групп.

В зависимости от степени интеграции:

• элементарный оптрон – включает в себя 2 и более элемента объединённых общим корпусом;
• оптронная интегральная схема – конструкция состоит из одной и более оптопар и, помимо этого, ещё может быть оснащена дополняющими элементами (например, усилителем).

в зависимости от разновидности оптического канала:

• оптический канал открытого типа;
• оптический канал закрытого типа.

в зависимости от типа фотоприёмника:

• фоторезисторные (или просто резисторные оптопары);
• фотодиодные оптопары;
• фототранзисторные (используется обычный или составной биполярный фототранзистор) оптопары;
• фототиристорные, либо фотосимисторные оптопары;
• оптопары функционирующие с помощью фотогальванического генератора (солнечная батарейка).

конструкция устройств последнего вида зачастую дополняются полевыми транзисторами, за управление затвором которого отвечает тот же генератор.

фотосимисторные оптроны или те, которые оснащены полевыми транзисторами, могут называться «оптореле», либо «твердотельное реле».

рис.1: устройство оптрона

оптоэлектронные устройства работают по-разному в зависимости от того, к какому из двух видов направлений они относятся:

работа прибора базируется на принципе, в соответствии с которым происходит преобразование световой энергии в электрическую. причём, переход осуществляется посредством твёрдого тела  и происходящих в нём процессов внутреннего фотоэлектрического эффекта (выражающегося в испускании веществом электронов под воздействием фотонов) и эффекта свечения под действием электрического поля.

фотонные электронно-вычислительные машины компонуются с использованием одной из двух категорий оптических элементов:

• оптронов;
• кванто-оптических элементов.

они являются моделями устройств соответственно электронно-оптического и оптического направлений.

будет ли оптрон передавать сигнал линейно, определяется теми характеристиками, которыми обладает вмонтированный в конструкцию фотоприёмник. наибольшую линейность передачи можно ожидать от резисторных оптронов. как следствие, процесс эксплуатации подобных устройств отличается наибольшим удобством. ступенью ниже стоят модели с фотодиодами и одиночными биполярными транзисторами.

для обеспечения работы импульсных приборов применяют оптроны на биполярных, либо полевых транзисторах, поскольку там нет необходимости в линейной передаче сигнала.

наконец, фототиристорные оптроны монтируют, чтобы обеспечить гальваническую изоляцию и безопасность эксплуатации устройства.

применение

Существует множество сфер, в которых необходимо использование оптронов. Такая широта применения обусловлена тем, что они являются элементами, обладающими множеством различных свойств и на каждое их качество приходится отдельная сфера применения.

• Фиксация механического воздействия (применяются устройства, оснащённые оптическим каналом открытого типа, который можно перекрыть (оказать механическое воздействие), а значит, само устройство можно использовать как сенсор):
• Детекторы наличия (выявление наличия/отсутствия бумажных листов в принтере);
• Детекторы конечной (начальной) точки;
• Счётчики;
• Дискретные спидометры.
• Гальваническая изоляция (использование оптронов позволяет передавать сигнал не связанный с напряжением, также с их помощью обеспечивается бесконтактное управление и защита), которая может обеспечиваться:
• Оптопарой (в большинстве случаев применяется как информационный передатчик);
• Оптореле (более прочего подходит для управления сигнальными и силовыми цепями).

Оптопары

Использование транзисторных, либо интегральных оптопар особенно актуально, если требуется обеспечить гальваническую изоляцию в сигнальной цепи или цепи с незначительным управляющим током. Роль элемента управления могут выполнять трёхэлектродные полупроводниковые приборы, схемы, управляющие дискретными сигналами, а также цепи с особой специализацией.

ис2: Оптопары 5000 Vrms 50mA.

Параметры и особенности работы оптопар

Опираясь на точную конструкцию прибора, можно определить его электрическую прочность. Под этим термином понимается значение напряжения, возникающего между цепями входа и выхода.Так, производители оптопар, обеспечивающих гальваническую изоляцию, демонстрируют целый ряд моделей с различными корпусами:

• DIP;
• SOP;
• SSOP;
• Miniflat-lead.

В зависимости от типа корпуса у оптопары формируется то или иное напряжение изоляции. Чтобы создать условия, в которых уровень напряжения достаточный для пробоя изоляции был достаточно велик, следует сконструировать оптопару таким образом, чтобы следующие детали были расположены достаточно далеко друг от друга:

• Световой диод и оптический регистратор;
• Внутренняя и внешняя сторона корпуса.

В отдельных случаях можно обнаружить оптопары специализированной группы, изготавливаемые в соответствии с международным стандартом безопасности. Уровень электрической прочности у этих моделей на порядок выше.

Другой значимый параметр транзисторной оптопары носит название «коэффициента передачи тока». Согласно значению этого коэффициента устройство относят к той или иной категории, что и отображается в названии модели.

Относительно уровня нижней рабочей частоты оптронов никаких ограничений нет: они хорошо функционируют в цепи с постоянным током.

Для самых медленных конструкций, включающих в себя лампу накаливания, наиболее характерна роль низкочастотных фильтров, работающих на частотах, не достигающих 10 Герц

Транзисторная оптопара и производимые ею шумы

Существует две основные причины тому, что работа транзисторной пары сопровождается шумовыми эффектами:

• Проходная ёмкость между световым диодом и транзисторной базой;
• Паразитная ёмкость между коллектором и фототранзисторной базой.

Чтобы побороть первую причину, понадобится вмонтировать особый экран. Вторая же устраняется через верно подобранный рабочий режим.

Оптореле

Оптореле, иначе называемое твердотельным реле, обычно используется для регуляции работы цепи с большими управляющими токами. Роль управляющего элемента здесь обычно выполняют два MOSFET транзистора со встречным подключением, подобная конфигурация обеспечивает возможность функционирования в условиях переменного тока.

Рис.3: Оптореле КР293 КП2В

Классификация видов оптореле

Для оптореле определено три типа топологий:

• Нормально разомкнутые.Предполагается, что управляющая цепь будет замыкаться лишь в момент подачи управляющего напряжения на выводы светового диода.
• Нормально замкнутые.Предполагается, что управляющая цепь будет размыкаться лишь в момент подачи управляющего напряжения на выводы светового диода.
• Переключающая.Третья топология предполагает сочетание каналов нормально-замкнутого и нормально разомкнутого типа.

Оптореле подобно оптопаре имеет характеристику по электрической прочности.

Разновидности оптореле

• Модели стандартного типа;
• Модели, имеющие малое сопротивление;
• Модели, имеющие малое СxR;
• Модели, имеющие малое напряжение смещения;
• Модели, имеющие высокое напряжение изоляции.

Сферы применения оптореле

• Модем;
• Измерительное устройство;
• Сопряжение с исполнительным устройством;
• Автоматические телефонные станции;
• Электрический, тепловой, газовый счётчик;
• Коммутатор сигналов.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось – это поможет развитию канала

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5c615e3c9e391400ae5f8253/5d3a97c6ce44a000aca3ce4c

Оптопара

В этой статье рассмотрены и новые оптопары и приборы старой разработки (конец 80-х — 90-е годы), параметры которых улучшены в результате использования более прогрессивной технологии. Учтены также изменения в обозначении и составе серии приборов, произошедшие в течение прошедших лет. Основные характеристики оптопар сведены в табл. 1. а предельно допустимые значения — в табл. 2.

Чертежи корпусов перечисленных приборов представлены на рис. 1—7.

Корпус оптопар серий АОД101, АОД107, АОД109, АОД129, АОД133 и оптопары ДОД149А — металлостеклянный с проволочными лужеными выводами Оптопары АОД130А, АОД134АС, АОД167А и АОД176А выпускают в пластмассовом микросхемном корпусе со штампованными плоскими лужеными выводами. Оптопары АОД120А-1 и АОД120Б-1 — бескорпусные, они предназначены для использования в составе гибридных микросхем Масса приборов не превышает 2 г.

Приборы АОД101Б- АОД101Г АО107А, АОД107Б, АОД120А-1, АОД120Б-1, АОД129А, АОД129Б, АОД130А. АОД133А, АОД133Б содержат одиночную оптопару, АОД134АС и АОД167А — две независимые, а АОД109А, АОД109Б — три независимые оптопары. У оптронов серии АОД109 выводы 7 и 8 свободные.

Прибор АОД149А выполнен с открытым оптическим каналом, для чего на торце корпуса имеется прозрачное для ик лучей окно. Отраженный луч, возвращаясь в оптрон, падает на два фотодиода, включенных дифференциально. В оптопаре АОД176А — два независимых фотодиода. Эти приборы применяют для гальванической развязки датчиков.

Выводы 7 и 8 оптопары свободные.
г. Москва Материал подготовил А. ЮШИН

Оптроны (оптопары) — электронные приборы, служащие для преобразования сигнала электрического тока в световой поток. Их световой сигнал передается через каналы оптики, а также происходит обратная передача и преобразование света в электрический сигнал.

Устройство оптрона состоит из излучателя света и преобразователя светового луча (фотоприемника). В качестве излучателя в современных приборах используют светодиоды. В старых моделях применялись маленькие лампочки накаливания. Две составные части оптопары объединены общим корпусом и оптическим каналом.

Виды и устройство оптронов

Существует несколько признаков, по которым можно классифицировать оптопары по группам. При разделении на классы оптронных изделий необходимо учитывать два фактора: тип фотоприемника и особенности общей конструкции прибора.

Первый признак классификации оптронов обуславливается тем, что у всех оптопар на входе расположен светодиод, поэтому возможности функционирования определяются свойствами устройства фотоприемника.

Вторым признаком является исполнение конструкции, определяющее особенности использования оптрона. Применяя такой смешанный принцип разделения, можно выделить три группы оптронных устройств:

• Элементарные оптопары.
• Оптоэлектронные микросхемы.
• Специальные оптопары.

Группы содержат в себе множество видов приборов. Для популярных оптопар применяются некоторые обозначения:

• Д – диодная.
• Т – транзисторная.
• R – резисторная.
• У – тиристорная.
• Т2 – со сложным фототранзистором.
• ДТ – диодно-транзисторная.
• 2Д (2Т) – диодная дифференциальная, либо транзисторная.

Система свойств оптронных устройств основывается на системе свойств оптопар. Эта система создается из четырех групп свойств и режимов:

• Характеризует цепь входа оптопары.
• Характеризует выходные параметры.
• Объединяет степень действия излучателя на приемник света, и особенности прохода сигнала по оптопаре в качестве компонента связи.
• Объединяет свойства гальванической развязки.

Основными оптронными параметрами считаются свойства передачи и гальванической развязки.

Важной величиной транзисторных и диодных оптронов считается коэффициент передачи тока.

Показателями гальванической развязки оптронов являются:

• Допустимое пиковое напряжение выхода и входа.
• Допустимое наибольшее напряжение выхода и входа.
• Сопротивление развязки.
• Проходная емкость.
• Допустимая наибольшая скорость изменения напряжения выхода и входа.

Первый параметр является наиболее важным.

По нему определяют электрическую прочность оптрона, а также его способности применения в качестве гальванической развязки.

Эти параметры оптронов применимы и для интегральных микросхем на основе оптопар.

Обозначения оптопар на схемах

Оптроны на диодах (рис. а) больше других устройств показывают уровень развития оптронной технологии. По значению коэффициента передачи определяют полезное действие преобразования энергии в оптопаре.

Величины временных значений свойств дают возможность определить наибольшие скорости передачи информации. Соединение с диодным оптроном усилителей позволяет создать эффективные устройства передачи информации.

Транзисторные оптроны

Эти приборы (рис. с) отличаются некоторыми свойствами от других видов оптопар. Одним из таких свойств является возможность оптического управления по цепи светодиода, и по основной электрической цепи. Цепь выхода может также действовать в режиме ключа и линейном режиме.

Принцип внутреннего усиления дает возможность получения больших величин коэффициента передачи тока. Поэтому дополнительные усилители не всегда нужны.

Важным моментом является небольшая инерционность оптопары, что допускается для многих режимов. Фототранзисторы имеют выходные токи намного больше, чем фотодиоды.

Поэтому они применяются для коммутации различных электрических цепей. Все это достигается простой технологией транзисторных оптронов.

Тиристорные оптроны

Такие оптопары (рис. b) имеют большую перспективу для коммутации мощных силовых цепей высокого напряжения: по мощности, нагрузке, скорости они более подходящие, чем Т2 оптопары. Оптроны марки АОУ 103 служат для применения в качестве бесконтактных выключателей в разных электронных схемах: усилителях, управляющих цепях, источниках импульсов и т.д.

Резисторные оптроны

Такие устройства (рис. d) называют фоторезисторами. Они значительно различаются от других типов оптронов своими особенностями конструкции и технологией изготовления. Основным принципом работы фоторезистора является эффект фотопроводности, то есть, изменения величины сопротивления при воздействии светового потока.

Дифференциальные

Рассмотренные выше оптопары способны передавать цифровые данные по гальванической развязке цепи. Важной проблемой является передача аналогового сигнала при помощи оптронов, то есть, создание линейности свойств передачи «вход-выход». Только при наличии таких свойств оптопар можно передавать аналоговые данные по гальванической развязке цепи без цифрового вида и импульсной передачи.

Такая задача решается диодными оптопарами, имеющими качественные шумовые и частотные характеристики. Трудность в решении этой задачи заключается в узком интервале линейности передающей характеристики и линейности диодных оптопар. Такие приборы только начинают прогрессировать в развитии, но за ними большое будущее.

Оптронные микросхемы

Эти микросхемы являются наиболее популярными классами моделей оптронных устройств, благодаря конструктивной и электрической совместимости оптронных микросхем с простыми видами, а также намного большей функциональности. Широкое применение получили коммутационные оптронные микросхемы.

Специальные оптроны

Такие образцы имеют значительные отличия от стандартных моделей приборов. Они выполнены в виде оптопар с оптическим каналом открытого вида. В устройстве таких моделей между фотоприемником и излучателем находится воздушный промежуток.

Поэтому, при размещении в нем механических препятствий можно управлять светом и сигналом выхода.

Оптроны с открытым каналом оптики используются вместо оптических датчиков, которые фиксируют наличие предметов, их поверхность, поворот, перемещение и т.д.

Применение оптронных устройств

• Подобные устройства используются для передачи данных между устройствами, которые не соединены электрическими проводами.
• Также оптопары используются для отображения и получения информации в технике. Отдельно необходимо отметить оптронные датчики, служащие для контроля объектов и процессов, отличающихся по назначению и природе.
• Заметен прогресс оптронной функциональной микросхемотехники, которая ориентирована на решение различных задач по преобразованию и накоплению данных.
• Полезной эффективностью стала замена больших недолговечных устройств электромеханического типа приборами оптоэлектронного принципа действия.
• Иногда оптронные компоненты применяются в энергетике, хотя это довольно специфические решения.

Контроль электрических процессов

Мощность светового потока от светодиода и величина фототока, который образуется в линейных цепях фотоприемников, напрямую зависит от тока проводимости излучателя.

Поэтому по бесконтактным оптическим каналам можно передать информацию о процессах в цепях электрического тока, связанных проводами с излучателем. Наиболее эффективным стало применение излучателей света оптопар в датчиках, электрических изменений в силовых цепях высокого напряжения.

Точная информация об аналогичных изменениях имеет важность для своевременной защиты источников и потребителей электроэнергии от чрезмерных нагрузок.

Стабилизатор с контрольным оптроном

Оптроны эффективно работают в стабилизаторах высокого напряжения. В них они образуют оптические каналы обратных связей отрицательной величины.

Стабилизатор, изображенный на схеме, является прибором последовательного вида.

При этом элемент регулировки выполнен на биполярном транзисторе, а стабилитрон на основе кремния работает в качестве источника эталонного опорного напряжения. Компонентом сравнения является светодиод.

При возрастании выходного напряжения, повышается и проводимость светодиода. На транзистор оптрона оказывает действие фототранзистор, при этом стабилизирует напряжение на выходе.

Достоинства оптронов

• Бесконтактное управление объектами, гибкость и разнообразие видов управления.
• Устойчивость каналов связи к электромагнитным полям, что позволяет создать защиту от помех и взаимных наводок.
• Создание микроэлектронных устройств с приемниками света, свойства которых могут изменяться по определенным сложным законам.
• Увеличение перечня функций управления сигналом выхода оптронов с помощью воздействия на материал канала оптики, создание приборов и датчиков для передачи данных.

Недостатки оптронов

• Малый КПД, вследствие двойного преобразования энергии, большой расход электроэнергии.
• Значительная зависимость работы от температуры.
• Большой собственный шумовой уровень.
• Технология и конструкция недостаточно совершенны, так как применяется гибридная технология.

Такие отрицательные моменты оптронов постепенно устраняются по мере развития технологии схемотехники и создания материалов.

Большая популярность оптронов вызвана, прежде всего, уникальными свойствами этих устройств.

Источник: https://svyazist-izh.ru/optopara/

Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон?

Есть в электронике такое понятие как гальваническая развязка. Её классическое определение — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта. Если вы новичок, то эта формулировка покажется очень общей и даже загадочной.

Если же вы имеете инженерный опыт или просто хорошо помните физику, то скорее всего уже подумали про трансформаторы и оптроны.

Статья под катом посвящена различным способам гальванической развязки цифровых сигналов.

Расскажем зачем оно вообще нужно и как производители реализуют изоляционный барьер «внутри» современных микросхем.

Речь, как уже сказано, пойдет о изоляции цифровых сигналов. Далее по тексту под гальванической развязкой будем понимать передачу информационного сигнала между двумя независимыми электрическими цепями.

Зачем оно нужно

Существует три основные задачи, которые решаются развязкой цифрового сигнала. Первой приходит в голову защита от высоких напряжений. Действительно, обеспечение гальванической развязки — это требование, которое предъявляет техника безопасности к большинству электроприборов.

Пусть микроконтроллер, который имеет, естественно, небольшое напряжение питания, задает управляющие сигналы для силового транзистора или другого устройства высокого напряжения. Это более чем распространенная задача. Если между драйвером, который увеличивает управляющий сигнал по мощности и напряжению, и управляющим устройством не окажется изоляции, то микроконтроллер рискует попросту сгореть.

К тому же, с цепями управления как правило связаны устройства ввода-вывода, а значит и человек, нажимающий кнопку «включить», легко может замкнуть цепь и получить удар в несколько сотен вольт. Итак, гальваническая развязка сигнала служит для защиты человека и техники.

Не менее популярным является использование микросхем с изоляционным барьером для сопряжения электрических цепей с разными напряжениями питания. Тут всё просто: «электрической связи» между цепями нет, поэтому сигнал логические уровни информационного сигнала на входе и выходе микросхемы будут соответствовать питанию на «входной» и «выходной» цепях соответственно.

Гальваническая развязка также используется для повышения помехоустойчивости систем. Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, часто это корпус устройства. При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает необходимый для передачи информационного сигнала общий потенциал передатчика и приемника.

Поскольку обычно общий провод служит одним из полюсов питания, подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к возникновению кратковременных импульсных помех. Они исключаются при замене «электрического соединения» на соединение через изоляционный барьер.

Как оно работает

Традиционно гальваническая развязка строится на двух элементах — трансформаторах и оптронах. Если опустить детали, то первые применяются для аналоговых сигналов, а вторые — для цифровых. Мы рассматриваем только второй случай, поэтому имеет смысл напомнить читателю о том кто такой оптрон.

Для передачи сигнала без электрического контакта используется пара из излучателя света (чаще всего светодиод) и фотодетектора. Электрический сигнал на входе преобразуется в «световые импульсы», проходит через светопропускающий слой, принимается фотодетектором и обратно преобразуется в электрический сигнал.

Оптронная развязка заслужила огромную популярность и несколько десятилетий являлась единственной технологией развязки цифровых сигналов. Однако, с развитием полупроводниковой промышленности, с интеграцией всего и вся, появились микросхемы, реализующие изоляционный барьер за счет других, более современных технологий.

Цифровые изоляторы — это микросхемы, обеспечивающие один или несколько изолированных каналов, каждый из которых «обгоняет» оптрон по скорости и точности передачи сигнала, по уровню устойчивости к помехам и, чаще всего, по стоимости в пересчете на канал.

Изоляционный барьер цифровых изоляторов изготавливается по различным технологиям.

Кристалл-передатчик по фронту информационного сигнала формирует два коротких импульса, а по спаду информационного сигнала — один импульс. Импульсный трансформатор позволяет с небольшой задержкой получить на кристалле-передатчике импульсы по которым выполняется обратное преобразование.

Описанная технология успешно применяется при реализации гальванической развязки, во многом превосходит оптроны, однако имеет ряд недостатков, связанных с чувствительностью трансформатора к помехам и риску искажений при работе с короткими входными импульсами. Гораздо более высокий уровень устойчивости к помехам обеспечивается в микросхемах, где изоляционный барьер реализуется на емкостях. Использование конденсаторов позволяет исключить связь по постоянному току между приемником и передатчиком, что в сигнальных цепях эквивалентно гальванической развязке.
Если последнее предложение вас взбудоражило..Если вы почувствовали жгучее желание закричать что гальванической развязки на конденсаторах быть не может, то рекомендую посетить треды вроде этого. Когда ваша ярость утихнет, обратите внимание что все эти споры датируются 2006 годом. Туда, как и в 2007, мы, как известно, не вернемся. А изоляторы с емкостным барьером давно производятся, используются и отлично работают.

Преимущества емкостной развязки заключаются в высокой энергетической эффективности, малых габаритах и устойчивости к внешним магнитным полям. Это позволяет создавать недорогие интегральные изоляторы с высокими показателями надежности. Они выпускаются двумя компаниями — Texas Instruments и Silicon Labs.

Эти фирмы используют различные технологии создания канала, однако в обоих случаях в качестве диэлектрика используется диоксид кремния. Этот материал имеет высокую электрическую прочность и уже несколько десятилетий используется при производстве микросхем.

Как следствие, SiO2 легко интегрируется в кристалл, причем для обеспечения напряжения изоляции величиной в несколько киловольт достаточно слоя диэлектрика толщиной в несколько микрометров.

На одном (у Texas Instruments) или на обоих (у Silicon Labs) кристаллах, которые находятся в корпусе цифрового изолятора, расположены площадки-конденсаторы. Кристаллы соединяются через эти площадки, таким образом информационный сигнал проходит от приемника к передатчику через изоляционный барьер. Хотя Texas Instruments и Silicon Labs используют очень похожие технологии интеграции емкостного барьера на кристалл, они используют совершенно разные принципы передачи информационного сигнала. Каждый изолированный канал у Texas Instruments представляет собой относительно сложную схему. Рассмотрим её «нижнюю половину». Информационный сигнал подается на RC-цепочки, с которых снимаются короткие импульсы по фронту и спаду входного сигнала, по этим импульсам сигнал восстанавливается. Такой способ прохождения емкостного барьера не подходит для медленноменяющихся (низкочастотных) сигналов. Производитель решает эту проблему дублированием каналов — «нижняя половина» схемы является высокочастотным каналом и предназначается для сигналов от 100 Кбит/сек. Сигналы с частотой ниже 100 Кбит/сек обрабатываются на «верхней половине» схемы. Входной сигнал подвергается предварительной ШИМ-модуляции с большой тактовой частотой, модулированный сигнал подается на изоляционный барьер, по импульсам с RC-цепочек сигнал восстанавливается и в дальнейшем демодулируется. Схема принятия решения на выходе изолированного канала «решает» с какой «половины» следует подавать сигнал на выход микросхемы. Как видно на схеме канала изолятора Texas Instruments, и в низкочастотном, и в высокочастотном каналах используется дифференциальная передача сигнала. Напомню читателю её суть. Дифференциальная передача — это простой и действенный способ защиты от синфазных помех. Входной сигнал на стороне передатчика «разделяется» на два инверсных друг-другу сигнала V+ и V-, на которые синфазные помехи разной природы влияют одинаково. Приемник осуществляет вычитание сигналов и в результате помеха Vсп исключается. Дифференциальная передача также используется в цифровых изоляторах от Silicon Labs. Эти микросхемы имеют более простую и надежную структуру. Для прохождения через емкостный барьер входной сигнал подвергается высокочастотной OOK (On-Off Keying) модуляции. Другими словами, «единица» информационного сигнала кодируется наличием высокочастотного сигнала, а «ноль» — отсутствием высокочастотного сигнала. Модулированный сигнал проходит без искажений через пару емкостей и восстанавливается на стороне передатчика. Цифровые изоляторы Silicon Labs превосходят микросхемы ADUM-ы по большинству ключевых характеристик. Микросхемы от TI обеспечивают примерно такое же качество работы как Silicon Labs, но в отдельных случаях уступают в точности передачи сигнала.

Где оно работает

Хочется добавить пару слов о том в каких микросхемах используется изоляционный барьер. Первыми стоит назвать цифровые изоляторы. Они представляют собой несколько изолированных цифровых каналов, объединенных в одном корпусе.

Выпускаются микросхемы с различной конфигурацией входных и выходных однонаправленных каналов, изоляторы с двунаправленными каналами (используются для развязки шинных интерфейсов), изоляторы со встроенным DC/DC-контроллером для изоляции питания.

Ещё больше картинокМикросхема серии Si86xx — цифровой изолятор с четырьмя прямыми и двумя обратными каналами

Микросхема серии Si860x — цифровой изолятор с двумя двунаправленными и двумя однонаправленными каналами

Микросхема серии Si88xx — цифровой изолятор с двумя каналами и встроенным DC/DC-контроллером

Кроме цифровых изоляторов выпускаются изолированные драйверы силовых транзисторов, в том числе на посадочное место оптодрайверов, усилители токового шунта, гальваноразвязанные АЦП и др.Ещё больше картинокМикросхема серии Si823x — изолированный драйвер верхнего и нижнего ключа

Микросхема серии Si8261 — изолированный драйвер с эмулятором светодиода на входе

Микросхема серии Si8920 — изолированный усилитель токового шунта

Микросхема серии Si890x — изолированный АЦП

• изоляция
• гальваническая развязка
• оптрон
• цифровой изолятор

Источник: https://habr.com/post/386721/

Оптроны. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Оптроны (оптопары) — электронные приборы, служащие для преобразования сигнала электрического тока в световой поток. Их световой сигнал передается через каналы оптики, а также происходит обратная передача и преобразование света в электрический сигнал.

Устройство оптрона состоит из излучателя света и преобразователя светового луча (фотоприемника). В качестве излучателя в современных приборах используют светодиоды. В старых моделях применялись маленькие лампочки накаливания. Две составные части оптопары объединены общим корпусом и оптическим каналом.

Виды и устройство оптронов

Существует несколько признаков, по которым можно классифицировать оптопары по группам. При разделении на классы оптронных изделий необходимо учитывать два фактора: тип фотоприемника и особенности общей конструкции прибора.

Первый признак классификации оптронов обуславливается тем, что у всех оптопар на входе расположен светодиод, поэтому возможности функционирования определяются свойствами устройства фотоприемника. Вторым признаком является исполнение конструкции, определяющее особенности использования оптрона.

Применяя такой смешанный принцип разделения, можно выделить три группы оптронных устройств:

• Элементарные оптопары.
• Оптоэлектронные микросхемы.
• Специальные оптопары.

Диодные оптопары

Оптроны на диодах (рис. а) больше других устройств показывают уровень развития оптронной технологии. По значению коэффициента передачи определяют полезное действие преобразования энергии в оптопаре.

Величины временных значений свойств дают возможность определить наибольшие скорости передачи информации. Соединение с диодным оптроном усилителей позволяет создать эффективные устройства передачи информации.

Транзисторные оптроны

Эти приборы (рис. с) отличаются некоторыми свойствами от других видов оптопар. Одним из таких свойств является возможность оптического управления по цепи светодиода, и по основной электрической цепи. Цепь выхода может также действовать в режиме ключа и линейном режиме.

Принцип внутреннего усиления дает возможность получения больших величин коэффициента передачи тока. Поэтому дополнительные усилители не всегда нужны.

Важным моментом является небольшая инерционность оптопары, что допускается для многих режимов. Фототранзисторы имеют выходные токи намного больше, чем фотодиоды.

Поэтому они применяются для коммутации различных электрических цепей. Все это достигается простой технологией транзисторных оптронов.

Тиристорные оптроны

Такие оптопары (рис. b) имеют большую перспективу для коммутации мощных силовых цепей высокого напряжения: по мощности, нагрузке, скорости они более подходящие, чем Т2 оптопары. Оптроны марки АОУ 103 служат для применения в качестве бесконтактных выключателей в разных электронных схемах: усилителях, управляющих цепях, источниках импульсов и т.д.

Резисторные оптроны

Такие устройства (рис. d) называют фоторезисторами. Они значительно различаются от других типов оптронов своими особенностями конструкции и технологией изготовления. Основным принципом работы фоторезистора является эффект фотопроводности, то есть, изменения величины сопротивления при воздействии светового потока.

Дифференциальные

Рассмотренные выше оптопары способны передавать цифровые данные по гальванической развязке цепи. Важной проблемой является передача аналогового сигнала при помощи оптронов, то есть, создание линейности свойств передачи «вход-выход». Только при наличии таких свойств оптопар можно передавать аналоговые данные по гальванической развязке цепи без цифрового вида и импульсной передачи.

Такая задача решается диодными оптопарами, имеющими качественные шумовые и частотные характеристики. Трудность в решении этой задачи заключается в узком интервале линейности передающей характеристики и линейности диодных оптопар. Такие приборы только начинают прогрессировать в развитии, но за ними большое будущее.

Оптронные микросхемы

Эти микросхемы являются наиболее популярными классами моделей оптронных устройств, благодаря конструктивной и электрической совместимости оптронных микросхем с простыми видами, а также намного большей функциональности. Широкое применение получили коммутационные оптронные микросхемы.

Специальные оптроны

Такие образцы имеют значительные отличия от стандартных моделей приборов. Они выполнены в виде оптопар с оптическим каналом открытого вида. В устройстве таких моделей между фотоприемником и излучателем находится воздушный промежуток.

Поэтому, при размещении в нем механических препятствий можно управлять светом и сигналом выхода.

Оптроны с открытым каналом оптики используются вместо оптических датчиков, которые фиксируют наличие предметов, их поверхность, поворот, перемещение и т.д.

Применение оптронных устройств

• Подобные устройства используются для передачи данных между устройствами, которые не соединены электрическими проводами.
• Также оптопары используются для отображения и получения информации в технике. Отдельно необходимо отметить оптронные датчики, служащие для контроля объектов и процессов, отличающихся по назначению и природе.

• Заметен прогресс оптронной функциональной микросхемотехники, которая ориентирована на решение различных задач по преобразованию и накоплению данных.
• Полезной эффективностью стала замена больших недолговечных устройств электромеханического типа приборами оптоэлектронного принципа действия.

• Иногда оптронные компоненты применяются в энергетике, хотя это довольно специфические решения.

Контроль электрических процессов

Мощность светового потока от светодиода и величина фототока, который образуется в линейных цепях фотоприемников, напрямую зависит от тока проводимости излучателя.

Поэтому по бесконтактным оптическим каналам можно передать информацию о процессах в цепях электрического тока, связанных проводами с излучателем. Наиболее эффективным стало применение излучателей света оптопар в датчиках, электрических изменений в силовых цепях высокого напряжения.

Точная информация об аналогичных изменениях имеет важность для своевременной защиты источников и потребителей электроэнергии от чрезмерных нагрузок.

Стабилизатор с контрольным оптроном

Оптроны эффективно работают в стабилизаторах высокого напряжения. В них они образуют оптические каналы обратных связей отрицательной величины.

Стабилизатор, изображенный на схеме, является прибором последовательного вида.

При этом элемент регулировки выполнен на биполярном транзисторе, а стабилитрон на основе кремния работает в качестве источника эталонного опорного напряжения. Компонентом сравнения является светодиод.

При возрастании выходного напряжения, повышается и проводимость светодиода. На транзистор оптрона оказывает действие фототранзистор, при этом стабилизирует напряжение на выходе.

Достоинства оптронов

• Бесконтактное управление объектами, гибкость и разнообразие видов управления.
• Устойчивость каналов связи к электромагнитным полям, что позволяет создать защиту от помех и взаимных наводок.

• Создание микроэлектронных устройств с приемниками света, свойства которых могут изменяться по определенным сложным законам.

• Увеличение перечня функций управления сигналом выхода оптронов с помощью воздействия на материал канала оптики, создание приборов и датчиков для передачи данных.

Недостатки оптронов

• Малый КПД, вследствие двойного преобразования энергии, большой расход электроэнергии.
• Значительная зависимость работы от температуры.
• Большой собственный шумовой уровень.

• Технология и конструкция недостаточно совершенны, так как применяется гибридная технология.

Такие отрицательные моменты оптронов постепенно устраняются по мере развития технологии схемотехники и создания материалов.

Большая популярность оптронов вызвана, прежде всего, уникальными свойствами этих устройств.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/optrony/