Het paar "optische zender - optische ontvanger" wordt al lang gebruikt in de elektronica en elektrotechniek. Een elektronische component waarin de ontvanger en zender zich in dezelfde behuizing bevinden en er een optische verbinding tussen is, wordt een optocoupler of optocoupler genoemd.
Optocoupler-apparaat
De optocoupler bestaat uit een optische zender (emitter), een optisch kanaal en een optische signaalontvanger. De fotozender zet het elektrische signaal om in een optisch signaal. De zender is in de meeste gevallen een LED (eerdere modellen gebruikten gloeilampen of neonlampen). Het gebruik van LED's is principieel, maar ze zijn duurzamer en betrouwbaarder.
Het optische signaal wordt via een optisch kanaal naar de ontvanger gestuurd. Het kanaal is gesloten - wanneer het door de zender uitgestraalde licht niet verder gaat dan het lichaam van de optocoupler. Vervolgens wordt het door de ontvanger gegenereerde signaal gesynchroniseerd met het signaal op de zenderingang.Dergelijke kanalen zijn lucht of gevuld met een speciale optische verbinding. Er zijn ook "lange" optocouplers, het kanaal waarin glasvezel.
Als de optocoupler zo is ontworpen dat de opgewekte straling, voordat deze de ontvanger bereikt, de behuizing verlaat, wordt zo'n kanaal open genoemd. Hiermee registreer je obstakels die ontstaan in de baan van de lichtstraal.
De fotodetector voert de inverse conversie uit van het optische signaal in een elektrisch signaal. De meest gebruikte ontvangers zijn:
- Fotodiodes. Meestal gebruikt in digitale communicatielijnen. Hun afkomst is klein.
- Fotoweerstanden. Hun kenmerk is de bidirectionele geleidbaarheid van de ontvanger. De stroom door de weerstand kan in beide richtingen gaan.
- Fototransistoren. Een kenmerk van dergelijke apparaten is de mogelijkheid om de transistorstroom zowel via een optotransmitter als via het uitgangscircuit te regelen. Gebruikt in zowel lineaire als digitale modi. Een apart type optocouplers - met parallel-tegengestelde veldeffecttransistoren. Dergelijke apparaten worden genoemd solid state relais.
- Fotothyristors. Dergelijke optocouplers onderscheiden zich door een verhoogd vermogen van uitgangscircuits en hun schakelsnelheid; dergelijke apparaten worden gemakkelijk gebruikt bij het besturen van elementen van vermogenselektronica. Deze apparaten zijn ook gecategoriseerd als solid-state relais.
Optocoupler-microschakelingen zijn wijdverbreid - assemblages van optocouplers met omsnoering in één pakket. Dergelijke optocouplers worden gebruikt als schakelapparatuur en voor andere doeleinden.
Voor-en nadelen
Het eerste voordeel dat wordt opgemerkt bij optische instrumenten is de afwezigheid van mechanische onderdelen.Dit betekent dat er tijdens bedrijf geen wrijving, slijtage, vonken van contacten is, zoals bij elektromechanische relais. In tegenstelling tot andere apparaten voor galvanische scheiding van signalen (transformatoren, enz.), kunnen optocouplers werken bij zeer lage frequenties, inclusief gelijkstroom.
Daarnaast is het voordeel van optische isolatie de zeer lage capacitieve en inductieve koppeling tussen input en output. Hierdoor wordt de kans op overdracht van impulsen en hoogfrequente interferentie verminderd. Het ontbreken van een mechanische en elektrische verbinding tussen de ingang en uitgang biedt de mogelijkheid van een verscheidenheid aan technische oplossingen voor het creëren van contactloze besturings- en schakelcircuits.
Ondanks de beperking in echte ontwerpen in termen van spanning en stroom voor ingang en uitgang, zijn er in theorie geen fundamentele obstakels voor het vergroten van deze kenmerken. Hiermee kunt u optocouplers maken voor bijna elke taak.
De nadelen van optocouplers zijn eenrichtingssignaaloverdracht - het is onmogelijk om een optisch signaal van de fotodetector terug naar de zender te sturen. Dit maakt het moeilijk om feedback te organiseren op basis van de respons van het ontvangende circuit op het zendersignaal.
De reactie van het ontvangende deel kan niet alleen worden beïnvloed door de straling van de zender te veranderen, maar ook door de toestand van het kanaal te beïnvloeden (het uiterlijk van objecten van derden, het veranderen van de optische eigenschappen van het kanaalmedium, enz.). Een dergelijke impact kan ook van niet-elektrische aard zijn. Dit vergroot de mogelijkheden van het gebruik van optocouplers. En ongevoeligheid voor externe elektromagnetische velden stelt u in staat om datatransmissiekanalen te creëren met een hoge ruisimmuniteit.
Het belangrijkste nadeel van optocouplers is de lage energie-efficiëntie die gepaard gaat met signaalverliezen tijdens dubbele signaalconversie. Een nadeel is ook het hoge intrinsieke geluidsniveau. Dit vermindert de gevoeligheid van optocouplers en beperkt de reikwijdte van hun toepassing waar werken met zwakke signalen nodig is.
Bij het gebruik van optocouplers moet ook rekening worden gehouden met de invloed van temperatuur op hun parameters - het is aanzienlijk. Bovendien omvatten de nadelen van optocouplers een merkbare degradatie van de elementen tijdens bedrijf en een zeker gebrek aan technologie bij de productie in verband met het gebruik van verschillende halfgeleidermaterialen in één pakket.
Kenmerken van optocouplers
Optocoupler-parameters vallen in twee categorieën:
- het karakteriseren van de eigenschappen van het apparaat om een signaal te verzenden;
- karakteriseren van de ontkoppeling tussen input en output.
De eerste categorie is de huidige overdrachtscoëfficiënt. Het hangt af van de emissiviteit van de LED, de gevoeligheid van de ontvanger en de eigenschappen van het optische kanaal. Deze coëfficiënt is gelijk aan de verhouding van de uitgangsstroom tot de ingangsstroom en is voor de meeste typen optocouplers 0,005 ... 0,2. Voor transistorelementen kan de overdrachtscoëfficiënt 1 bereiken.
Als we de optocoupler als een vierpolige beschouwen, wordt de ingangskarakteristiek volledig bepaald door de CVC van de opto-emitter (LED) en de output - door de karakteristiek van de ontvanger. De doorvoerkarakteristiek is over het algemeen niet-lineair, maar sommige typen optocouplers hebben lineaire secties. Dus een deel van de CVC van de diode-optocoupler heeft een goede lineariteit, maar dit gedeelte is niet erg groot.
Weerstandselementen worden ook geëvalueerd door de verhouding van donkere weerstand (met een ingangsstroom gelijk aan nul) tot lichte weerstand. Voor thyristor-optocouplers is een belangrijk kenmerk de minimale houdstroom in open toestand. De belangrijkste parameters van de optocoupler omvatten ook de hoogste werkfrequentie.
De kwaliteit van galvanische isolatie wordt gekenmerkt door:
- de maximale spanning die wordt toegepast op de ingang en uitgang;
- maximale spanning tussen ingang en uitgang;
- isolatieweerstand tussen ingang en uitgang;
- doorgangscapaciteit.
De laatste parameter kenmerkt het vermogen van een elektrisch hoogfrequent signaal om van de ingang naar de uitgang te lekken, het optische kanaal omzeilend, door de capaciteit tussen de elektroden.
Er zijn parameters waarmee u de mogelijkheden van het ingangscircuit kunt bepalen:
- de hoogste spanning die op de ingangsklemmen kan worden toegepast;
- de maximale stroom die de LED kan weerstaan;
- spanningsval over de LED bij nominale stroom;
- Omgekeerde ingangsspanning - Omgekeerde polariteitsspanning die de LED kan weerstaan.
Voor het uitgangscircuit zijn deze kenmerken de maximaal toegestane uitgangsstroom en -spanning, evenals de lekstroom bij nul ingangsstroom.
Omvang van optocouplers
Optocouplers met een gesloten kanaal worden gebruikt waar om de een of andere reden (elektrische veiligheid, etc.) ontkoppeling nodig is tussen de signaalbron en de ontvangende kant. Bijvoorbeeld in feedbackloops schakelende voedingen - het signaal wordt van de PSU-uitgang genomen en naar het stralingselement gevoerd, waarvan de helderheid afhangt van het spanningsniveau.Een signaal dat afhankelijk is van de uitgangsspanning wordt van de ontvanger genomen en naar de PWM-controller gevoerd.
Een fragment van een computervoedingscircuit met twee optocouplers wordt getoond in de afbeelding. De bovenste optocoupler IC2 creëert een feedback die de spanning stabiliseert. De onderste IC3 werkt in discrete modus en levert stroom aan de PWM-chip wanneer de standby-spanning aanwezig is.
Galvanische scheiding tussen bron en ontvanger is ook vereist voor sommige standaard elektrische interfaces.
Apparaten met een open kanaal worden gebruikt om sensoren te maken voor het detecteren van objecten (aanwezigheid van papier in de printer), eindschakelaars, tellers (objecten op de transportband, het aantal tandwielen in muismanipulatoren), enz.
Solid-state relais worden op dezelfde plaats gebruikt als conventionele relais - voor het schakelen van signalen. Maar hun voortplanting wordt belemmerd door de hoge weerstand van het kanaal in de open toestand. Ze worden ook gebruikt als stuurprogramma's voor elementen van vermogenselektronica in vaste toestand (krachtige veldeffect- of IGBT-transistors).
De optocoupler werd meer dan een halve eeuw geleden ontwikkeld, maar het wijdverbreide gebruik begon nadat LED's betaalbaar en goedkoop werden. Nu worden alle nieuwe modellen van optocouplers ontwikkeld (voor het grootste deel microcircuits die daarop zijn gebaseerd), en hun reikwijdte wordt alleen maar groter.
Vergelijkbare artikelen:
