Двойката "оптичен емитер - оптичен приемник" отдавна се използва в електрониката и електротехниката. Електронен компонент, в който приемникът и предавателят са разположени в един и същ корпус и между тях има оптична връзка, се нарича оптрон или оптрон.
Съдържание
Оптронно устройство
Оптронът се състои от оптичен предавател (емитер), оптичен канал и приемник на оптичен сигнал. Фотопредавателят преобразува електрическия сигнал в оптичен. Предавателят в повечето случаи е LED (по-ранните модели са използвали крушки с нажежаема жичка или неонови крушки). Използването на светодиоди е безпринципно, но те са по-издръжливи и надеждни.
Оптичният сигнал се предава по оптичен канал към приемника. Каналът е затворен - когато светлината, излъчвана от предавателя, не излиза извън тялото на оптрона. Тогава генерираният от приемника сигнал се синхронизира със сигнала на входа на предавателя.Такива канали са въздушни или запълнени със специално оптично съединение. Има и "дълги" оптрони, каналът в които е оптично влакно.
Ако оптронът е проектиран по такъв начин, че генерираното излъчване, преди да достигне до приемника, да напусне корпуса, такъв канал се нарича отворен. С него можете да регистрирате препятствия, които възникват по пътя на светлинния лъч.
Фотодетекторът извършва обратното преобразуване на оптичния сигнал в електрически. Най-често използваните приемници са:
- Фотодиоди. Обикновено се използва в цифрови комуникационни линии. Родът им е малък.
- Фоторезистори. Тяхната особеност е двупосочната проводимост на приемника. Токът през резистора може да върви в двете посоки.
- Фототранзистори. Характеристика на такива устройства е възможността за управление на тока на транзистора както чрез оптопредавател, така и през изходната верига. Използва се както в линеен, така и в цифров режим. Отделен тип оптрони - с паралелно противоположни полеви транзистори. Такива устройства се наричат твърдотелни релета.
- Фототиристори. Такива оптрони се отличават с повишена мощност на изходните вериги и тяхната скорост на превключване; такива устройства се използват удобно за управление на елементи на силовата електроника. Тези устройства също са категоризирани като твърдотелни релета.
Широко разпространени са микросхемите на оптрони - сглобки от оптрони с обвързване в един пакет. Такива оптрони се използват като превключващи устройства и за други цели.
Предимства и недостатъци
Първото предимство, отбелязано в оптичните инструменти, е липсата на механични части.Това означава, че по време на работа няма триене, износване, искри на контактите, както при електромеханичните релета. За разлика от други устройства за галванична изолация на сигнали (трансформатори и др.), оптроните могат да работят при много ниски честоти, включително постоянен ток.
В допълнение, предимството на оптичната изолация е много ниското капацитивно и индуктивно свързване между вход и изход. Поради това се намалява вероятността от предаване на импулс и високочестотни смущения. Липсата на механична и електрическа връзка между входа и изхода предоставя възможност за различни технически решения за създаване на безконтактни схеми за управление и превключване.
Въпреки ограниченията в реалните проекти по отношение на напрежението и тока за вход и изход, на теория няма фундаментални пречки за увеличаване на тези характеристики. Това ви позволява да създавате оптрони за почти всяка задача.
Недостатъците на оптроните включват еднопосочно предаване на сигнал - невъзможно е да се предаде оптичен сигнал от фотодетектора обратно към предавателя. Това затруднява организирането на обратна връзка според реакцията на приемащата верига към сигнала на предавателя.
Реакцията на приемащата част може да бъде повлияна не само чрез промяна на излъчването на предавателя, но и чрез влияние върху състоянието на канала (появата на обекти на трети страни, промяна на оптичните свойства на каналната среда и др.). Такова въздействие може да бъде и от неелектрическо естество. Това разширява възможностите за използване на оптрони. А нечувствителността към външни електромагнитни полета ви позволява да създавате канали за предаване на данни с висока устойчивост на шум.
Основният недостатък на оптроните е ниската енергийна ефективност, свързана със загуби на сигнал по време на двойно преобразуване на сигнала. Недостатък също е високото ниво на вътрешен шум. Това намалява чувствителността на оптроните и ограничава обхвата на тяхното приложение, където е необходима работа със слаби сигнали.
При използване на оптрони трябва да се има предвид и влиянието на температурата върху техните параметри - то е значително. В допълнение, недостатъците на оптроните включват забележимо разграждане на елементите по време на работа и известна липса на технология в производството, свързана с използването на различни полупроводникови материали в един пакет.
Характеристики на оптроните
Параметрите на оптроната се разделят на две категории:
- характеризиране на свойствата на устройството за предаване на сигнал;
- характеризиращи разделянето между вход и изход.
Първата категория е текущият коефициент на трансфер. Зависи от излъчвателната способност на светодиода, чувствителността на приемника и свойствата на оптичния канал. Този коефициент е равен на съотношението на изходния ток към входния ток и за повечето видове оптрони е 0,005 ... 0,2. За транзисторните елементи коефициентът на трансфер може да достигне 1.
Ако разглеждаме оптрона като четириполюсен, тогава неговата входна характеристика се определя изцяло от CVC на опто-емитера (LED), а изходната - от характеристиката на приемника. Характеристиката на преминаване обикновено е нелинейна, но някои видове оптрони имат линейни секции. Така че част от CVC на диодния оптрон има добра линейност, но този участък не е много голям.
Резисторните елементи също се оценяват чрез съотношението на тъмното съпротивление (с входен ток равен на нула) към светлинното съпротивление. За тиристорните оптрони важна характеристика е минималният задържащ ток в отворено състояние. Значимите параметри на оптрона включват и най-високата работна честота.
Качеството на галваничната изолация се характеризира с:
- максималното напрежение, приложено към входа и изхода;
- максимално напрежение между вход и изход;
- изолационно съпротивление между вход и изход;
- проходимост.
Последният параметър характеризира способността на електрически високочестотен сигнал да изтича от входа към изхода, заобикаляйки оптичния канал, през капацитета между електродите.
Има параметри, които ви позволяват да определите възможностите на входната верига:
- най-високото напрежение, което може да се приложи към входните клеми;
- максималният ток, който светодиодът може да издържи;
- спад на напрежението върху светодиода при номинален ток;
- Обратно входно напрежение - Обратно напрежение на полярността, което светодиодът може да издържи.
За изходната верига тези характеристики ще бъдат максимално допустимият изходен ток и напрежение, както и токът на утечка при нулев входен ток.
Обхват на оптроните
Оптроните със затворен канал се използват там, където по някаква причина (електрическа безопасност и т.н.) се налага разделяне между източника на сигнала и приемащата страна. Например в контури за обратна връзка импулсни захранвания - сигналът се взема от изхода на PSU, подава се към излъчващия елемент, чиято яркост зависи от нивото на напрежение.Сигнал в зависимост от изходното напрежение се взема от приемника и се подава към PWM контролера.
На фигурата е показан фрагмент от компютърна захранваща верига с два оптрона. Горният оптрон IC2 създава обратна връзка, която стабилизира напрежението. Долният IC3 работи в дискретен режим и доставя захранване на PWM чипа, когато е налице напрежението в режим на готовност.
Галванична изолация между източник и приемник също се изисква от някои стандартни електрически интерфейси.
Устройствата с отворен канал се използват за създаване на сензори за откриване на всякакви обекти (наличие на хартия в принтера), крайни прекъсвачи, броячи (обекти на конвейера, брой зъби на зъбните колела в манипулаторите на мишката) и др.
Твърдотелните релета се използват на същото място като конвенционалните релета - за превключване на сигнали. Но тяхното разпространение е възпрепятствано от високото съпротивление на канала в отворено състояние. Използват се и като драйвери за елементи на силовата твърдотелна електроника (мощни полеви или IGBT транзистори).
Оптронът е разработен преди повече от половин век, но широкото му използване започва, след като светодиодите стават достъпни и евтини. Сега се разработват всички нови модели оптрони (в по-голямата си част микросхеми, базирани на тях) и обхватът им само се разширява.
Подобни статии:
