Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments
Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон? / Хабр

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.

Содержание

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. Небезызвестная компания Analog Devices в цифровых изоляторах ADUM в качестве барьера использует импульсный трансформатор. Внутри корпуса микросхемы расположено два кристалла и, выполненный отдельно на полиимидной пленке, импульсный трансформатор. 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 картинок
Микросхема 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


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.
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
 
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:

Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон?

// это копия статьи, размещенной вчера на geektimes.ru. Возможно это будет интересно и читателям электроникса.

Статья посвящена различным способам гальванической развязки цифровых сигналов. Кратко расскажу зачем оно нужно и как производители реализуют изоляционный барьер в современных интегральных микросхемах. Плюс бонус — гайд по гальванической развязке от SiLabs.

Речь, как уже сказано, пойдет о изоляции именно 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. Небезызвестная компания Analog Devices в цифровых изоляторах ADUM в качестве барьера использует импульсный трансформатор. Внутри корпуса микросхемы расположено два кристалла и, выполненный отдельно на полиимидной пленке, импульсный трансформатор. 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.

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
Теперь 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. Кроме того выпускаются изолированные драйверы силовых транзисторов, в том числе на посадочное место оптодрайверов, усилители токового шунта, гальваноразвязанные АЦП и др.

Если позволите, добавлю небольшой гайд по продукции SiLabs-а:

* Микросхемы серии Si86xx (известны также как Si84xx) — однонаправленные цифровые изоляторы

Ещё есть изоляторы малыши Si80xx в QSOP-ах. Все на 1кВ.

* Микросхемы серии Si860x (известны также как Si840x) — двунаправленные цифровые изоляторы для шины I2C и т.п.

* Микросхемы серии Si87xx — цифровые изоляторы на посадочное место оптрона

* Микросхемы серии Si88xx — со встроенным DC/DC

* Микросхемы серии Si823x — двухканальные драйверы силовых транзисторов (+ Si824x, заточенные под аудиоусилители)

* Микросхемы серии Si826x — одноканальные драйверы на посадочное место оптодрайверов

* Микросхемы серии Si8920 — гальваноразвязанные АЦП

* Микросхемы серии Si890x — изолированные усилители токового шунта

Гальваническая развязка аналогового сигнала - Робомехс

В этой статье речь пойдет в первую очередь об оптической развязке аналогового сигнала. Будет рассматриваться бюджетный вариант. Также основное внимание уделяется быстродействию схемотехнического решения.

Способы развязки аналогового сигнала

Небольшой обзор. Существует три основных способа гальванической развязки аналогового сигнала: трансформаторный, оптический и конденсаторный. Первые два нашли наибольшее применение. На сегодняшний день существует целый класс устройств, которые называются изолирующие усилители или развязывающие усилители (Isolated Amplifier).   Такие устройства передают сигнал по средствам его преобразования (в схеме присутствует модулятор и демодулятор сигнала).

Рис.1. Общая схема изолирующих усилителей.

Есть устройства как для передачи аналогового сигнала по напряжению (ADUM3190, ACPL-C87), так и специализированные, для подключения непосредственно к токовому шунту (SI8920, ACPL-C79, AMC1200). В данной статье мы не будем рассматривать дорогие устройства, однако перечислим некоторые из них: iso100, iso124, ad202..ad215 и др.

Существует также другой класс устройств – развязывающие оптические усилители с линеаризующей обратной связью (Linear Optocoupler) к этим устройствам относятся il300, loc110, hcnr201. Принцип действия этих устройств легко понять, посмотрев на их типовую схему подключения.

Рис.2. Типовая схема для развязывающих оптических усилителей.

Подробнее о развязывающих усилителях вы можете почитать: А. Дж. Пейтон, В. Волш «Аналоговая электроника на операционных усилителях» (глава 2), также будет полезен документ AN614 «A Simple Alternative To Analog Isolation Amplifiers» от silicon labs, там есть хорошая сравнительная таблица.  Оба источника есть в интернете.

Специальные микросхемы оптической развязки сигнала

Теперь к делу! Для начала сравним три специализированных микросхемы: il300, loc110, hcnr201. Подключенные по одной и той же схеме:

Рис.3. Тестовая схема для il300, hcnr201 и loc110.

Разница только в номиналах для il300, hcnr201 R1,R3=30k, R2=100R, а для loc110 10k и 200R соответственно (я подбирал разные номиналы чтобы добиться максимального быстродействия, но при этом не выйти за допустимые пределы, например, по току излучающего диода). Ниже приведены осциллограммы, которые говорят сами за себя (здесь и далее: синий – входной сигнал, желтый — выходной).

Рис.4. Осциллограмма переходного процесса il300.

Рис.5. Осциллограмма переходного процесса hcnr201.

Рис.6. Осциллограмма переходного процесса loc110.

Теперь рассмотрим микросхему ACPL-C87B (диапазон входного сигнала 0..2В). Честно говоря с ней я провозился достаточно долго. У меня в наличии было две микросхемы, после того как получил неожиданный результат на первой, со второй обращался очень аккуратно, особенно при пайке. Собирал всё по схеме, указанной в документации:

Рис.7. Типовая схема для ACPLC87 из документации.

Результат один и тот же. Подпаивал керамические конденсаторы непосредственно вблизи ножек питания, менял ОУ (естественно проверял его на других схемах), пересобирал схему и т.д. В чем собственно загвоздка: выходной сигнал имеет значительные флуктуации.

Рис.8. Осциллограмма переходного процесса ACPLC87.

Несмотря на то, что производитель обещает уровень шума выходного сигнала 0.013 mVrms и для варианта «B» точность ±0.5%. В чем же дело? Возможно ошибка в документации, поскольку с трудом верится в 0.013 mVrms. Непонятно. Но посмотрим в графу Test Conditions/Notes напротив Vout Noise и на Рис.12 документации:

Рис.9. Зависимость уровня шума от величины входного сигнала и частоты выходного фильтра.

Здесь картина немного проясняется. Видимо производитель говорит нам о том, что мы можем задушить эти шумы через ФНЧ. Ну что ж, спасибо за совет (иронично). Зачем вот только всё это таким хитрым образом вывернули. Скорее всего понятно зачем. Ниже приведены графики без и с выходным RC фильтром (R=1k, C=10nF (τ=10µS))

Рис.10. Осциллограмма переходного процесса ACPLC87 без и с выходным фильтром.

Применение оптопар общего назначения для развязки сигнала

Теперь перейдем к самому интересному. Ниже приведены схемы, которые я нашел в интернете.

Рис.11. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Рис.12. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Рис.13. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Такое решение имеет как преимущества, так и недостатки. К преимуществу отнесем большее напряжение изоляции, к недостаткам то, что две микросхемы могут значительно отличаться по параметрам, поэтому кстати рекомендуется использовать микросхемы из одной партии.

Я собрал эту схему на микросхеме 6n136:

Рис.14. Осциллограмма переходного процесса развязки на 6N136.

Получилось, но медленно. Пробовал собирать и на других микросхемах (типа sfh615), получается, но тоже медленно. Мне надо было быстрее. К тому же часто схема не работает из-за возникающих автоколебаний (в таких случаях говорят САР неустойчива))) Помогает увеличение номинала конденсатора С2 рис. 16.

Один знакомый посоветовал отечественную оптопару АОД130А. Результат на лицо:

Рис.15. Осциллограмма переходного процесса развязки на АОД130А.

А вот и схема:

Рис.16: Схема развязки на АОД130А.

Потенциометр нужен один (RV1 или RV2) в зависимость от того будет выходной сигнал меньше или больше входного. В принципе можно было поставить только один RV=2k последовательно с R3=4.7k, ну или вообще оставить только RV2=10k без R3. Принцип понятен: иметь возможность подстройки в районе 5k.

Микросхема трансформаторной развязки сигнала

Перейдем к трансформаторному варианту. Микросхема ADUM3190 в двух вариантах на 200 и 400 кГц (у меня на 400 — ADUM3190TRQZ), также есть микросхема на более высокое напряжение изоляции ADUM4190. Замечу, корпус самый маленький из всех – QSOP16.  Выходное напряжение Eaout от 0.4 до 2.4В. В моей микросхеме выходное напряжение смещения около 100мВ (видно на осциллограмме рис. 18). В целом работает неплохо, но лично меня несовсем устраивает выходной диапазон напряжения. Собрано по схеме из документации:

Рис.17. Схема ADUM3190 из документации.

Немного осциллограмм:

Рис.18. Осциллограмма переходного процесса ADUM3190.

Итоги

Подведем итог. На мой взгляд наилучшим вариантом является схема на отечественных АДО130А (где они их только взяли?!). Ну и напоследок небольшая сравнительная таблица:

Микросхемаtr+задерж. (по осцилл.), мксtf+задерж. (по осцилл.), мксДиап. напряж., ВНапряж. изоляции, ВШум (по осцилл.) мВп-п.Цена** за шт., р (05.2018)
IL30010150-3*440020150
HCNR20115150-3*141425150
LOC110460-3*375015150
ACPL-C87B15150-21230нд500
6N1361080-3*25001550
АОД130А230.01-3*15001090
ADUM3190T220.4-2.4250020210

*- приблизительно (по собранной схеме с оптимизацией по быстродействию)

**- цена средняя по минимальным.
Ярослав Власов

P.S. АОД130А производства ОАО «Протон» (с гравировкой их логотипа в черном корпусе) — хороший. Старые (90х годов в коричневом корпусе) не годятся.

 

Оптрон — Википедия

Различные виды оптронов

Оптопара или оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и, как правило, объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.

Классификация

По степени интеграции

  • оптопары (или элементарные оптроны) — состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе)
  • оптоэлектронные интегральные схемы, содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них).

По типу оптического канала

  • с открытым оптическим каналом
  • с закрытым оптическим каналом

По типу фотоприёмника

По типу источников света

Оптроны с полевым транзистором или фотосимистором иногда именуют оптореле или твердотельным реле.

В настоящее время в оптоэлектронике можно выделить два направления.

  1. Электронно-оптическое, основанное на принципе фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле внутренним фотоэффектом и электролюминесценцией.
  2. Оптическое, основанное на тонких эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением и использующее лазерную технику, голографию, фотохимию и т. д.

Существуют два класса оптических элементов, которые можно использовать при создании оптических ЭВМ:

  • Оптроны
  • Квантооптические элементы.

Они являются представителями соответственно электронно-оптического и оптического направлений.

Тип фотоприёмника определяет линейность передаточной функции оптрона. Наиболее линейны и тем самым пригодны для работы в аналоговых устройствах резисторные оптроны, затем — оптроны с приёмным фотодиодом или одиночным биполярным транзистором. Оптроны с составными биполярными транзисторами или полевыми транзисторами используются в импульсных (ключевых, цифровых) устройствах, в которых линейность передачи не требуется. Оптроны с фототиристорами применяются для гальванической развязки схем управления от цепей управления.

Использование

Оптроны имеют несколько областей применения, использующих их различные свойства:

Механическое воздействие

Оптронный координатный счётчик в механической мыши

Оптроны с открытым оптическим каналом, доступным для механического воздействия (перекрытия) используются как датчики во всевозможных детекторах наличия (например, детектор бумаги в принтере), датчиках конца или начала (аналогично механическому концевому выключателю), счётчиках и дискретных спидометрах на их базе (например, координатные счётчики в механической мыши, анемометры).

Гальваническая развязка

Оптроны используются для гальванической развязки цепей — передачи сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты. Некоторые стандартные электрические интерфейсы, например MIDI, предписывают обязательную оптронную развязку. Различают два основных типа оптронов, предназначенных для использования в цепях гальванической развязки: оптопары и оптореле. Основное отличие между ними в том, что оптопары, как правило, используются для передачи информации, а оптореле используется для коммутации сигнальных или силовых цепей.

Оптопары

Транзисторные или интегральные оптопары, как правило, применяются для гальванической развязки сигнальных цепей или цепей с малым током коммутации. В качестве коммутирующего элемента используются биполярные транзисторы, цепи управления цифровыми входами, специализированные цепи (например, для управления силовым MOSFET или IGBT - оптодрайверы).

Свойства и характеристики оптопар

Электрическая прочность (допустимое напряжение между входной и выходной цепями) зависит от конструктивного оформления прибора. Оптопары гальванической развязки выпускаются в корпусах DIP, SOP, SSOP, Mini flat-lead. Для каждого типа корпусов характерны свои напряжения изоляции. Для того, чтобы обеспечить большие пробивные напряжения, необходимо, чтобы конструкция оптопары имела как можно большие расстояния не только между светодиодом и фотоприемником, но так же как можно большие расстояния по внутренней и по внешней стороне корпуса. Иногда производители выпускают специализированные семейства оптопар, соответствующие международным стандартам безопасности. Эти оптопары характеризуются повышенной электрической прочностью.

Одним из основных параметров, характеризующих транзисторную оптопару, является коэффициент передачи тока. Производители оптопар выполняют сортировку, присваивая в зависимости от коэффициента передачи тот или иной ренкинг, который указывается в наименовании.

Нижняя рабочая частота оптрона не ограничена: оптроны могут работать в цепях постоянного тока. Верхняя рабочая частота оптронов, оптимизированных под высокочастотную передачу цифровых сигналов, достигает сотен МГц. Верхние рабочие частоты линейных оптронов существенно ниже (единицы—сотни кГц). Наиболее медленные оптроны, использующие лампы накаливания, фактически являются эффективными фильтрами нижних частот с граничной полосой порядка единиц Гц.

Шумы транзисторной оптопары

Для транзисторных оптопар характерным является появление шума, связанного с одной стороны наличием проходной ёмкости между светодиодом и базой транзистора, с другой стороны наличием паразитной ёмкости между коллектором и базой фототранзистора. Для борьбы с первым типом шумов в конструкцию оптопары вносят специальный экран. Второго типа шумов удается избежать правильно подобрав режимы работы оптопары.

Типы оптопар для гальванической развязки
  • Стандартные со входом по постоянному току
  • Стандартные со входом по переменному току
  • С малыми входными токами
  • С высоким напряжением коллектор-эмиттер
  • Высокоскоростные оптопары
  • Оптопары с изолирующим усилителем
  • Драйверы двигателей и IGBT
Примеры применения оптопар
  • В телекоммуникационном оборудовании
  • В цепях сопряжения с исполнительными устройствами
  • В импульсных источниках питания.
  • В высоковольтных цепях
  • В системах управления двигателями
  • В системах вентиляции и кондиционирования
  • В системах освещения
  • В электросчетчиках
Оптореле

Оптореле (Твердотельные реле), как правило, применяются для коммутации цепей с большим током коммутации. В качестве коммутирующего элемента используется как правило пара встречно включенных MOSFET транзисторов, благодаря чему оптореле способно работать в цепях переменного тока.

Свойства и характеристики оптореле

Оптореле имеют три топологии. Нормально разомкнутые - топология А, нормально замкнутые - топология Б и переключающая - топология С. Нормально разомкнутая топология предполагает замыкание коммутирующей цепи только при подаче управляющего напряжение на светодиод. Нормально замкнутая топология предполагает размыкание коммутирующей цепи при подаче управляющего напряжения на светодиод. Переключающая топология, как следует из названия имеет комбинацию внутри оптореле нормально замкнутых и нормально разомкнутых каналов. Стандартными корпусами для оптореле являются DIP8, DIP6, SOP8, SOP4, Mini flat-lead 4. Аналогично оптопарам, оптореле также характеризуются электрической прочностью.

Типы оптореле
  • Стандартные оптореле
  • Оптореле с малым сопротивлением
  • Оптореле с малым СxR
  • Оптореле с малым напряжением смещения
  • Оптореле с высоким напряжением изоляции
Примеры применения оптореле
  • В модемах
  • В измерительных устройствах, IC тестеры
  • Для сопряжения с исполнительными устройствами
  • В автоматических телефонных станциях
  • Счетчики электричества, тепла, газа
  • Коммутаторы сигналов

Неэлектрическая передача

На принципе оптрона построены такие приспособления как:

  • беспроводные пульты и оптические устройства ввода
  • беспроводные (атмосферно-оптические) и волоконно-оптические устройства передачи аналоговых и цифровых сигналов

Также используются в неразрушающем контроле как датчики аварийных ситуаций. GaP-диоды начинают излучать свет при воздействии на них радиации, а фотоприёмник фиксирует возникшее свечение и сообщает о тревоге.

Литература

  • Гребнев А. К., Гридин В. Н., Дмитриев В. П. Оптоэлектронные элементы и устройства / Под. ред. Ю. В. Гуляева. — М.: Радио и связь, 1998. — 336 с. — ISBN 5-256-01385-8.
  • Розеншер, Э., Винтер, Б. Оптоэлектроника = Optoélectronique / Пер. с фр.. — М.: Техносфера, 2004. — 592 с. — ISBN 5-94836-031-8.

Ссылки

Оптрон — Википедия. Что такое Оптрон

Различные виды оптронов

Оптопара или оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и, как правило, объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.

Классификация

По степени интеграции

  • оптопары (или элементарные оптроны) — состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе)
  • оптоэлектронные интегральные схемы, содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них).

По типу оптического канала

  • с открытым оптическим каналом
  • с закрытым оптическим каналом

По типу фотоприёмника

По типу источников света

Оптроны с полевым транзистором или фотосимистором иногда именуют оптореле или твердотельным реле.

В настоящее время в оптоэлектронике можно выделить два направления.

  1. Электронно-оптическое, основанное на принципе фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле внутренним фотоэффектом и электролюминесценцией.
  2. Оптическое, основанное на тонких эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением и использующее лазерную технику, голографию, фотохимию и т. д.

Существуют два класса оптических элементов, которые можно использовать при создании оптических ЭВМ:

  • Оптроны
  • Квантооптические элементы.

Они являются представителями соответственно электронно-оптического и оптического направлений.

Тип фотоприёмника определяет линейность передаточной функции оптрона. Наиболее линейны и тем самым пригодны для работы в аналоговых устройствах резисторные оптроны, затем — оптроны с приёмным фотодиодом или одиночным биполярным транзистором. Оптроны с составными биполярными транзисторами или полевыми транзисторами используются в импульсных (ключевых, цифровых) устройствах, в которых линейность передачи не требуется. Оптроны с фототиристорами применяются для гальванической развязки схем управления от цепей управления.

Использование

Оптроны имеют несколько областей применения, использующих их различные свойства:

Механическое воздействие

Оптронный координатный счётчик в механической мыши

Оптроны с открытым оптическим каналом, доступным для механического воздействия (перекрытия) используются как датчики во всевозможных детекторах наличия (например, детектор бумаги в принтере), датчиках конца или начала (аналогично механическому концевому выключателю), счётчиках и дискретных спидометрах на их базе (например, координатные счётчики в механической мыши, анемометры).

Гальваническая развязка

Оптроны используются для гальванической развязки цепей — передачи сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты. Некоторые стандартные электрические интерфейсы, например MIDI, предписывают обязательную оптронную развязку. Различают два основных типа оптронов, предназначенных для использования в цепях гальванической развязки: оптопары и оптореле. Основное отличие между ними в том, что оптопары, как правило, используются для передачи информации, а оптореле используется для коммутации сигнальных или силовых цепей.

Оптопары

Транзисторные или интегральные оптопары, как правило, применяются для гальванической развязки сигнальных цепей или цепей с малым током коммутации. В качестве коммутирующего элемента используются биполярные транзисторы, цепи управления цифровыми входами, специализированные цепи (например, для управления силовым MOSFET или IGBT - оптодрайверы).

Свойства и характеристики оптопар

Электрическая прочность (допустимое напряжение между входной и выходной цепями) зависит от конструктивного оформления прибора. Оптопары гальванической развязки выпускаются в корпусах DIP, SOP, SSOP, Mini flat-lead. Для каждого типа корпусов характерны свои напряжения изоляции. Для того, чтобы обеспечить большие пробивные напряжения, необходимо, чтобы конструкция оптопары имела как можно большие расстояния не только между светодиодом и фотоприемником, но так же как можно большие расстояния по внутренней и по внешней стороне корпуса. Иногда производители выпускают специализированные семейства оптопар, соответствующие международным стандартам безопасности. Эти оптопары характеризуются повышенной электрической прочностью.

Одним из основных параметров, характеризующих транзисторную оптопару, является коэффициент передачи тока. Производители оптопар выполняют сортировку, присваивая в зависимости от коэффициента передачи тот или иной ренкинг, который указывается в наименовании.

Нижняя рабочая частота оптрона не ограничена: оптроны могут работать в цепях постоянного тока. Верхняя рабочая частота оптронов, оптимизированных под высокочастотную передачу цифровых сигналов, достигает сотен МГц. Верхние рабочие частоты линейных оптронов существенно ниже (единицы—сотни кГц). Наиболее медленные оптроны, использующие лампы накаливания, фактически являются эффективными фильтрами нижних частот с граничной полосой порядка единиц Гц.

Шумы транзисторной оптопары

Для транзисторных оптопар характерным является появление шума, связанного с одной стороны наличием проходной ёмкости между светодиодом и базой транзистора, с другой стороны наличием паразитной ёмкости между коллектором и базой фототранзистора. Для борьбы с первым типом шумов в конструкцию оптопары вносят специальный экран. Второго типа шумов удается избежать правильно подобрав режимы работы оптопары.

Типы оптопар для гальванической развязки
  • Стандартные со входом по постоянному току
  • Стандартные со входом по переменному току
  • С малыми входными токами
  • С высоким напряжением коллектор-эмиттер
  • Высокоскоростные оптопары
  • Оптопары с изолирующим усилителем
  • Драйверы двигателей и IGBT
Примеры применения оптопар
  • В телекоммуникационном оборудовании
  • В цепях сопряжения с исполнительными устройствами
  • В импульсных источниках питания.
  • В высоковольтных цепях
  • В системах управления двигателями
  • В системах вентиляции и кондиционирования
  • В системах освещения
  • В электросчетчиках
Оптореле

Оптореле (Твердотельные реле), как правило, применяются для коммутации цепей с большим током коммутации. В качестве коммутирующего элемента используется как правило пара встречно включенных MOSFET транзисторов, благодаря чему оптореле способно работать в цепях переменного тока.

Свойства и характеристики оптореле

Оптореле имеют три топологии. Нормально разомкнутые - топология А, нормально замкнутые - топология Б и переключающая - топология С. Нормально разомкнутая топология предполагает замыкание коммутирующей цепи только при подаче управляющего напряжение на светодиод. Нормально замкнутая топология предполагает размыкание коммутирующей цепи при подаче управляющего напряжения на светодиод. Переключающая топология, как следует из названия имеет комбинацию внутри оптореле нормально замкнутых и нормально разомкнутых каналов. Стандартными корпусами для оптореле являются DIP8, DIP6, SOP8, SOP4, Mini flat-lead 4. Аналогично оптопарам, оптореле также характеризуются электрической прочностью.

Типы оптореле
  • Стандартные оптореле
  • Оптореле с малым сопротивлением
  • Оптореле с малым СxR
  • Оптореле с малым напряжением смещения
  • Оптореле с высоким напряжением изоляции
Примеры применения оптореле
  • В модемах
  • В измерительных устройствах, IC тестеры
  • Для сопряжения с исполнительными устройствами
  • В автоматических телефонных станциях
  • Счетчики электричества, тепла, газа
  • Коммутаторы сигналов

Неэлектрическая передача

На принципе оптрона построены такие приспособления как:

  • беспроводные пульты и оптические устройства ввода
  • беспроводные (атмосферно-оптические) и волоконно-оптические устройства передачи аналоговых и цифровых сигналов

Также используются в неразрушающем контроле как датчики аварийных ситуаций. GaP-диоды начинают излучать свет при воздействии на них радиации, а фотоприёмник фиксирует возникшее свечение и сообщает о тревоге.

Литература

  • Гребнев А. К., Гридин В. Н., Дмитриев В. П. Оптоэлектронные элементы и устройства / Под. ред. Ю. В. Гуляева. — М.: Радио и связь, 1998. — 336 с. — ISBN 5-256-01385-8.
  • Розеншер, Э., Винтер, Б. Оптоэлектроника = Optoélectronique / Пер. с фр.. — М.: Техносфера, 2004. — 592 с. — ISBN 5-94836-031-8.

Ссылки

Оптрон — Википедия. Что такое Оптрон

Различные виды оптронов

Оптопара или оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и, как правило, объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.

Классификация

По степени интеграции

  • оптопары (или элементарные оптроны) — состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе)
  • оптоэлектронные интегральные схемы, содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них).

По типу оптического канала

  • с открытым оптическим каналом
  • с закрытым оптическим каналом

По типу фотоприёмника

По типу источников света

Оптроны с полевым транзистором или фотосимистором иногда именуют оптореле или твердотельным реле.

В настоящее время в оптоэлектронике можно выделить два направления.

  1. Электронно-оптическое, основанное на принципе фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле внутренним фотоэффектом и электролюминесценцией.
  2. Оптическое, основанное на тонких эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением и использующее лазерную технику, голографию, фотохимию и т. д.

Существуют два класса оптических элементов, которые можно использовать при создании оптических ЭВМ:

  • Оптроны
  • Квантооптические элементы.

Они являются представителями соответственно электронно-оптического и оптического направлений.

Тип фотоприёмника определяет линейность передаточной функции оптрона. Наиболее линейны и тем самым пригодны для работы в аналоговых устройствах резисторные оптроны, затем — оптроны с приёмным фотодиодом или одиночным биполярным транзистором. Оптроны с составными биполярными транзисторами или полевыми транзисторами используются в импульсных (ключевых, цифровых) устройствах, в которых линейность передачи не требуется. Оптроны с фототиристорами применяются для гальванической развязки схем управления от цепей управления.

Использование

Оптроны имеют несколько областей применения, использующих их различные свойства:

Механическое воздействие

Оптронный координатный счётчик в механической мыши

Оптроны с открытым оптическим каналом, доступным для механического воздействия (перекрытия) используются как датчики во всевозможных детекторах наличия (например, детектор бумаги в принтере), датчиках конца или начала (аналогично механическому концевому выключателю), счётчиках и дискретных спидометрах на их базе (например, координатные счётчики в механической мыши, анемометры).

Гальваническая развязка

Оптроны используются для гальванической развязки цепей — передачи сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты. Некоторые стандартные электрические интерфейсы, например MIDI, предписывают обязательную оптронную развязку. Различают два основных типа оптронов, предназначенных для использования в цепях гальванической развязки: оптопары и оптореле. Основное отличие между ними в том, что оптопары, как правило, используются для передачи информации, а оптореле используется для коммутации сигнальных или силовых цепей.

Оптопары

Транзисторные или интегральные оптопары, как правило, применяются для гальванической развязки сигнальных цепей или цепей с малым током коммутации. В качестве коммутирующего элемента используются биполярные транзисторы, цепи управления цифровыми входами, специализированные цепи (например, для управления силовым MOSFET или IGBT - оптодрайверы).

Свойства и характеристики оптопар

Электрическая прочность (допустимое напряжение между входной и выходной цепями) зависит от конструктивного оформления прибора. Оптопары гальванической развязки выпускаются в корпусах DIP, SOP, SSOP, Mini flat-lead. Для каждого типа корпусов характерны свои напряжения изоляции. Для того, чтобы обеспечить большие пробивные напряжения, необходимо, чтобы конструкция оптопары имела как можно большие расстояния не только между светодиодом и фотоприемником, но так же как можно большие расстояния по внутренней и по внешней стороне корпуса. Иногда производители выпускают специализированные семейства оптопар, соответствующие международным стандартам безопасности. Эти оптопары характеризуются повышенной электрической прочностью.

Одним из основных параметров, характеризующих транзисторную оптопару, является коэффициент передачи тока. Производители оптопар выполняют сортировку, присваивая в зависимости от коэффициента передачи тот или иной ренкинг, который указывается в наименовании.

Нижняя рабочая частота оптрона не ограничена: оптроны могут работать в цепях постоянного тока. Верхняя рабочая частота оптронов, оптимизированных под высокочастотную передачу цифровых сигналов, достигает сотен МГц. Верхние рабочие частоты линейных оптронов существенно ниже (единицы—сотни кГц). Наиболее медленные оптроны, использующие лампы накаливания, фактически являются эффективными фильтрами нижних частот с граничной полосой порядка единиц Гц.

Шумы транзисторной оптопары

Для транзисторных оптопар характерным является появление шума, связанного с одной стороны наличием проходной ёмкости между светодиодом и базой транзистора, с другой стороны наличием паразитной ёмкости между коллектором и базой фототранзистора. Для борьбы с первым типом шумов в конструкцию оптопары вносят специальный экран. Второго типа шумов удается избежать правильно подобрав режимы работы оптопары.

Типы оптопар для гальванической развязки
  • Стандартные со входом по постоянному току
  • Стандартные со входом по переменному току
  • С малыми входными токами
  • С высоким напряжением коллектор-эмиттер
  • Высокоскоростные оптопары
  • Оптопары с изолирующим усилителем
  • Драйверы двигателей и IGBT
Примеры применения оптопар
  • В телекоммуникационном оборудовании
  • В цепях сопряжения с исполнительными устройствами
  • В импульсных источниках питания.
  • В высоковольтных цепях
  • В системах управления двигателями
  • В системах вентиляции и кондиционирования
  • В системах освещения
  • В электросчетчиках
Оптореле

Оптореле (Твердотельные реле), как правило, применяются для коммутации цепей с большим током коммутации. В качестве коммутирующего элемента используется как правило пара встречно включенных MOSFET транзисторов, благодаря чему оптореле способно работать в цепях переменного тока.

Свойства и характеристики оптореле

Оптореле имеют три топологии. Нормально разомкнутые - топология А, нормально замкнутые - топология Б и переключающая - топология С. Нормально разомкнутая топология предполагает замыкание коммутирующей цепи только при подаче управляющего напряжение на светодиод. Нормально замкнутая топология предполагает размыкание коммутирующей цепи при подаче управляющего напряжения на светодиод. Переключающая топология, как следует из названия имеет комбинацию внутри оптореле нормально замкнутых и нормально разомкнутых каналов. Стандартными корпусами для оптореле являются DIP8, DIP6, SOP8, SOP4, Mini flat-lead 4. Аналогично оптопарам, оптореле также характеризуются электрической прочностью.

Типы оптореле
  • Стандартные оптореле
  • Оптореле с малым сопротивлением
  • Оптореле с малым СxR
  • Оптореле с малым напряжением смещения
  • Оптореле с высоким напряжением изоляции
Примеры применения оптореле
  • В модемах
  • В измерительных устройствах, IC тестеры
  • Для сопряжения с исполнительными устройствами
  • В автоматических телефонных станциях
  • Счетчики электричества, тепла, газа
  • Коммутаторы сигналов

Неэлектрическая передача

На принципе оптрона построены такие приспособления как:

  • беспроводные пульты и оптические устройства ввода
  • беспроводные (атмосферно-оптические) и волоконно-оптические устройства передачи аналоговых и цифровых сигналов

Также используются в неразрушающем контроле как датчики аварийных ситуаций. GaP-диоды начинают излучать свет при воздействии на них радиации, а фотоприёмник фиксирует возникшее свечение и сообщает о тревоге.

Литература

  • Гребнев А. К., Гридин В. Н., Дмитриев В. П. Оптоэлектронные элементы и устройства / Под. ред. Ю. В. Гуляева. — М.: Радио и связь, 1998. — 336 с. — ISBN 5-256-01385-8.
  • Розеншер, Э., Винтер, Б. Оптоэлектроника = Optoélectronique / Пер. с фр.. — М.: Техносфера, 2004. — 592 с. — ISBN 5-94836-031-8.

Ссылки

Типы и различное применение в цепях постоянного / переменного тока

Оптопара - это электронный компонент, который передает электрические сигналы между двумя изолированными цепями. Оптрон также называется оптоизолятором, фотоприемником или оптическим изолятором.

Часто в цепях, особенно в цепях низкого напряжения или с высокой чувствительностью к шуму, оптопара используется для изоляции цепей, чтобы предотвратить вероятность электрических столкновений или исключить нежелательные шумы. На современном коммерческом рынке мы можем купить оптопару с от 10 кВ до 20 кВ на входе с выходной емкостью выдерживаемого напряжения со спецификацией переходных напряжений 25 кВ / сс.

Внутренняя структура оптрона

Optocoupler Internal Structure

Это внутренняя структура оптопары. На левой стороне расположены контакт 1 и контакт 2, это светодиод (светоизлучающий диод), светодиод излучает инфракрасный свет на светочувствительный транзистор с правой стороны. Фототранзистор переключает выходную схему с помощью коллектора и эмиттера, так же как и обычные транзисторы BJT.Интенсивность светодиода напрямую контролирует фототранзистор. Поскольку светодиод может управляться другой схемой, а фототранзистор может управлять другой схемой, то оптопара может управлять двумя независимыми цепями. Кроме того, между фототранзистором и инфракрасным светодиодом пространство является прозрачным и непроводящим материалом; это электрически изолирует две разные цепи. Полое пространство между светодиодом и фототранзистором может быть выполнено с использованием стекла, воздуха или прозрачного пластика, электрическая изоляция намного выше, обычно 10 кВ, или выше.

Типы оптопар

Существует много различных типов оптопар , доступных на рынке в зависимости от их потребностей и возможностей коммутации. В зависимости от использования доступно в основном четыре типа оптопар.

  1. Оптопара, которая использует Фототранзистор .
  2. Оптопара, которая использует Photo Darlington Transistor .
  3. Оптопара, которая использует Photo TRIAC .
  4. Оптопара, которая использует Photo SCR .

Фото-транзисторная оптопара

Photo-Transistor Optocoupler

На верхнем изображении показана внутренняя конструкция внутри фототранзисторной оптопары. Тип транзистора может быть любым, будь то PNP или NPN .

Фототранзистор

может быть двух типов в зависимости от наличия выходного контакта. На втором изображении слева есть дополнительный вывод, который внутренне связан с базой транзистора.Этот вывод используется для управления чувствительностью фототранзистора . Часто этот контакт используется для соединения с землей или отрицательным контактом с помощью резистора высокого значения. В этой конфигурации ложное срабатывание из-за шума или электрических переходных процессов может эффективно контролироваться.

Кроме того, перед использованием оптопары на основе фототранзистора пользователь должен знать максимальную мощность транзистора. PC816, PC817, LTV817, K847PH - это несколько широко используемых оптопар на основе фототранзисторов.Фото - Транзисторная оптопара используется в изоляции цепи постоянного тока .

Photo-Darlington Транзисторная оптопара

Photo Darlington Transistor Optocoupler

На верхнем изображении представлены два типа символов, показана внутренняя конструкция оптопары Photo-Darlington .

Дарлингтонский транзистор представляет собой две пары транзисторов, где один транзистор управляет другой транзисторной базой. В этой конфигурации транзистор Дарлингтона обеспечивает высокий коэффициент усиления.Как обычно, светодиод излучает инфракрасный светодиод и управляет базой парного транзистора.

Этот тип оптопары также используется в области, связанной со схемой постоянного тока, для изоляции. Шестой контакт, который внутренне соединен с базой транзистора, используется для управления чувствительностью транзистора, как обсуждалось ранее в описании фототранзистора. 4N32, 4N33, h31B1, h31B2, h31B3 - это несколько примеров оптопары на основе фото-Дарлингтона.

Photo-TRIAC Оптопара

Photo-TRIAC Optocoupler

На верхнем изображении показана внутренняя конструкция или оптопара на основе TRIAC на базе .

TRIAC в основном используется там, где необходимо управление или коммутация на основе переменного тока. Светодиод можно контролировать с помощью постоянного тока, а TRIAC - для контроля переменного тока. Оптопары обеспечивают отличную изоляцию и в этом случае. Вот одно из приложений Triac. Примерами оптопары на основе фото-TRIAC являются IL420, , , 4N35, и т. Д., Которые являются примером оптопары на основе TRIAC.

Оптрон на основе фото-SCR

Photo SCR based Optocoupler

SCR стенд для Кремниевого выпрямителя , SCR также упоминается как Тиристор .На верхнем изображении показана внутренняя конструкция оптопары на основе Photo-SCR. Как и другие оптопары, светодиод излучает инфракрасный свет. SCR контролируется интенсивностью светодиода. Оптопара на основе Photo-SCR, используемая в цепях переменного тока. Узнайте больше о тиристоре здесь.

Несколько примеров оптопар на основе фото-SCR: - MOC3071, IL400, MOC3072 и т. Д.

Применение оптопары

Как обсуждалось ранее , несколько оптопар использовались в цепи постоянного тока и несколько оптопар использовались в операциях, связанных с переменным током .Поскольку оптопара не допускает прямого электрического соединения между двумя сторонами, основное применение оптопары состоит в том, чтобы изолировать две цепи .

При переключении другого приложения, так же как и в случае, когда транзистор может использоваться для переключения приложения, можно использовать оптопару. Он может использоваться в различных операциях, связанных с микроконтроллером, где цифровые импульсы или аналоговая информация, необходимые от высоковольтной схемы, оптопары, могут использоваться для превосходной изоляции между этими двумя.

Оптопара

может использоваться для обнаружения переменного тока, операций, связанных с контролем постоянного тока. Давайте рассмотрим несколько применений опто-транзисторов.

Оптопара для переключения цепи постоянного тока:

Optocoupler for Switching DC Circuit

В верхней цепи используется схема оптопары на основе фототранзистора . Он будет действовать как типичный транзисторный переключатель. На схеме используется недорогой оптопара на основе фототранзистора PC817 . Инфракрасный светодиод будет управляться переключателем S1 .Когда переключатель будет включен, аккумуляторный источник 9 В будет подавать ток на светодиод через резистор ограничения тока 10 кОм. Интенсивность контролируется резистором R1. Если мы изменим значение и сделаем сопротивление ниже, интенсивность светодиода будет высокой, что сделает усиление транзистора высоким.

С другой стороны транзистор является фототранзистором, управляемым внутренним инфракрасным светодиодом , когда светодиод излучает инфракрасный свет, фототранзистор соприкоснется, и значение VOUT будет равно 0, отключая подключенную через него нагрузку.Необходимо помнить, что в соответствии с таблицей ток коллектора транзистора составляет 50 мА. R2 обеспечивает выход 5v. R2 является подтягивающим резистором.

Вы можете увидеть переключение светодиода с помощью оптопары в видео ниже…

В этой конфигурации оптопара на основе фототранзистора может использоваться с микроконтроллером для обнаружения импульсов или прерывания .

Оптопара для обнаружения переменного напряжения:

Optocoupler for Detecting AC Voltage

Здесь показана другая схема для обнаружения переменного напряжения .Инфракрасный светодиод управляется с помощью двух резисторов 100 кОм. Два резистора 100 кОм, используемые вместо одного резистора 200 кОм, предназначены для дополнительной безопасности в условиях короткого замыкания. Светодиод подключен через линию розетки (L) и нейтральную линию (N). При нажатии S1 светодиод начинает излучать инфракрасный свет. Фототранзистор отвечает и преобразует VOUT с 5 В на 0 В.

В этой конфигурации оптопара может быть подключена к цепи низкого напряжения, такой как микроконтроллер, где требуется определение напряжения переменного тока.На выходе будет получен прямоугольный импульс от высокого к низкому.

На данный момент первая схема используется для управления или переключения цепи постоянного тока, а вторая - для обнаружения цепи переменного тока и управления или переключения цепи постоянного тока. Далее мы увидим управляющую цепь переменного тока с использованием цепи постоянного тока.

Оптопара для управления цепью переменного тока с использованием постоянного напряжения:

Optocoupler for Controlling AC Circuit using DC voltage

В верхней цепи Светодиод снова управляется батареей 9 В через резистор 10 кОм и состояние переключателя.С другой стороны используется оптопара на основе фото-TRIAC , которая управляет ЛАМПОЙ переменного тока от розетки 220 В переменного тока. Резистор 68R используется для управления TRIAC BT136, который управляется фото-TRIAC внутри блока оптопары.

Этот тип конфигурации используется для управления электрическими приборами с использованием низковольтной схемы . IL420 используется в верхней схеме, которая является оптопарой на основе фото-TRIAC.

Кроме схем этого типа, оптопара может использоваться в SMPS для отправки короткого замыкания вторичной стороны или информации о состоянии тока по току на первичную сторону.

Если вы хотите увидеть ИС оптопары в действии , проверьте схемы ниже:

,

Что такое оптрон и как он работает?

Если вы когда-нибудь разбирали какое-либо зарядное устройство для телефона или импульсный источник питания, вы найдете несколько крошечных черных IC-пакетов с необычным количеством контактов, в основном четыре или шесть, как в SMD, так и в сквозных отверстиях. Что является более необычным, так это то, что эти части обычно находятся над пазами и зазорами изоляции, что делает их назначение более загадочным.

Эти компоненты называются оптопарами или оптоизоляторами или просто опто , и они выполняют важнейшую функцию передачи сигналов между изолированными участками схемы.Они используют свет для передачи сигналов между цепями.

Что такое оптрон и как он работает

Как мы уже узнали о транзисторах, идеальный транзистор не позволит току проходить через него, если вывод базы не сработал. Но если вам удастся удачно отключить обычный дискретный транзистор и подать напряжение на провода коллектора и эмиттера, вы заметите, что крошечный ток все еще течет! Это из-за света, падающего на основание экспонированной транзисторной матрицы.

Optocopler Working

Это означает, что фотоны света действительно способны выбивать дырки и электроны в легированном полупроводниковом материале. Это приводит к некоторым очень интересным возможностям, первым из которых является фототранзистор, в основном двухконтактный транзистор без базового провода. Они очень похожи на диоды и поставляются в прозрачной упаковке. Здесь свет действует как базовый ток. Фотодиоды работают очень похоже; они меняют свое «сопротивление» в зависимости от количества падающего на них света.

Фотодиоды и транзисторы используются в таких вещах, как датчики приближения, которые обнаруживают небольшие изменения напряжения или тока на этих устройствах в зависимости от количества света, падающего на них.

Если мы сможем поместить светодиод и фототранзистор в закрытую трубку, свет, идущий от светодиода (конечно, при условии, что он работает правильно), осветит «базу» фототранзистора и сделает его проводящим. Это оставляет нас с устройством, которое может управлять переключающим элементом без какого-либо физического контакта! Такое устройство уже существует, и, как вы уже догадались, это оптрон !

Входы и выходы оптопары

Оптопары бывают разных форм, размеров и скоростей (что будет обсуждаться позже), но большинство из них имеют одинаковые основные характеристики - вход диода и выход переключающего элемента.

Диод очень похож на любой другой светодиод, за исключением того факта, что вы не можете видеть свет (во-первых, потому что он находится в герметичной пластиковой упаковке, а во-вторых, потому что он в основном инфракрасный). Он требует, чтобы его приводили в действие те же токи и напряжения, которые требуются обычным светодиодам, а именно несколько вольт и несколько десятков миллиампер.

Анимация ниже поможет вам понять работу. Используемая здесь оптопара - это ICT фототранзистор MCT2E. Как видите, логический вход, данный светодиоду, контролирует выход транзистора.В этой микросхеме выходная сторона состоит из транзистора, но так должно быть в любом случае.

Выходная сторона фототранзистора немного интереснее, потому что обычно он состоит из транзистора NPN-типа, как показано выше, но иногда это может быть также SCR или TRIAC, а иногда даже выход, совместимый с полной логикой!

Следует помнить одну важную вещь: поскольку база в основном управляется светом, «базовый ток» очень и очень низкий - вы не можете ожидать полного насыщения от этих типов транзисторов, а так как базовый ток очень мал, время подъема и падения часто бывает патетически медленным, как я узнал на своем пути.Конечно, варианты логического выхода (и соответствующие скорости) доступны, но для выходной стороны требуется отдельный источник питания.

Хорошая особенность опто-выхода заключается в том, что, поскольку он полностью гальванически изолирован от входной стороны, он может плавать при любом напряжении - или, другими словами, он действует как плавающий «переключатель», хотя и не очень хороший.

Например, вы можете разместить выход транзистора на нижней стороне и добавить нагрузку на коллектор, поэтому, когда диод загорается, транзистор проводит проводник и понижает коллектор.Вы также можете разместить транзистор на верхней стороне с резистором между эмиттером и выходной землей, поэтому, когда входной сигнал становится высоким, выходной сигнал на эмиттере тоже высокий.

Но будьте осторожны, у большинства распространенных оптонов высокое напряжение насыщения из-за ограниченного базового привода, иногда порядка 1 Вольт!

Из-за своей малой скорости, обычные опто используются в качестве части обратной связи блока питания, с дополнительным бонусом полной изоляции.

Как вы уже догадались, optos не может делать то, что могут делать трансформаторы - поставлять энергию.Несмотря на то, что трансформатор может питать изолированные цепи, при использовании современных технологий мы не можем эффективно передавать энергию через свет.

Но оптики делают то, что трансформаторы не могут - очень эффективно и очень быстро передавать сигналы между цепями без необходимости использования отдельных драйверов. Мы можем подключить вход опто напрямую к выводу микроконтроллера, но мы не сможем сделать то же самое для трансформатора сигнала!

Практическая консультация оптрона

Для всех «медленных» целей, я.е. Сигналы порядка нескольких килогерц, я рекомендую использовать PC817, очень распространенный одиночный опто, который поставляется в корпусе DIP4 или SMD. Подайте на вход не менее 5 мА.

Design

Для более высоких скоростей я рекомендую TLP117, который имеет инвертированный логический выход, но требует питания 5 В на стороне выхода. Из этого импульса я получил 10 микросекундных импульсов, которые должны были бы рассказать вам о его скорости!

Каким бы незначительным ни выглядело прочтение всей таблицы данных, на самом деле вам было бы лучше, если бы вы это делали.

Прочие оптически связанные устройства

Опираясь на ту же технологию, мы находим ряд полезных устройств - opto SCR и opto TRIAC . Opto TRIAC более известны как полупроводниковые реле или SSL. Они в основном действуют как обычные реле, но используют свет для запуска TRIAC с горячей стороны, который потребляет намного меньше тока, чем катушка реле.

Один недостаток состоит в том, что полупроводниковые устройства имеют тенденцию к короткому замыканию, в то время как электромеханические реле выходят из строя.Об этом следует помнить в критических приложениях.

Opto SCR , с другой стороны, обычно используются для запуска SCR большей мощности из изолированного сигнала.

Как работает оптопара | ОРЕЛ

Нужно защитить чувствительные компоненты низкого напряжения и изолировать цепи на вашей печатной плате? Оптрон может сделать работу. Да будет свет! Это устройство позволяет передавать электрический сигнал между двумя изолированными цепями, состоящими из двух частей: светодиода, который излучает инфракрасный свет, и светочувствительного устройства, которое обнаруживает свет от светодиода. Обе эти части содержатся в традиционном черном ящике с парой контактов для подключения. С первого взгляда легко смешать оптопару с интегральной схемой (ИС).

triac-optocoupler

Этот оптрон Triac выглядит как микросхема. (Источник изображения)

Как это работает

Ток сначала подается на оптопару, благодаря чему инфракрасный светодиод излучает свет, пропорциональный току. Когда свет попадает на светочувствительное устройство, он включается и начинает проводить ток, как любой обычный транзистор.

optocoupler-diagram

Как работает оптопара. (Источник изображения)

Светочувствительное устройство обычно по умолчанию не подключено для обеспечения максимальной чувствительности к инфракрасному излучению.Он также может быть подключен к земле с помощью внешнего резистора для более высокой степени контроля чувствительности переключения.

optocoupler-circuit

Оптопара эффективно изолирует выходную и входную цепи. (Источник изображения)

Это устройство в основном работает как коммутатор, соединяющий две изолированные цепи на вашей печатной плате. Когда ток перестает течь через светодиод, светочувствительное устройство также перестает проводить и выключается. Все это переключение происходит через пустое стекло, пластик или воздух без электрических частей между светодиодом или светочувствительным устройством.Это все о свете.

Преимущества и виды

Если вы разрабатываете электронное устройство, которое будет подвержено скачкам напряжения, ударам молнии, скачкам напряжения питания и т. Д., То вам потребуется способ защиты низковольтных устройств. При правильном использовании оптрон может эффективно:

  • Удаление электрических помех из сигналов
  • Изолировать низковольтные устройства от высоковольтных цепей
  • Позволяет использовать небольшие цифровые сигналы для управления большим напряжением переменного тока.

Оптопары поставляются в четырех конфигурациях.Каждая конфигурация использует один и тот же инфракрасный светодиод с различным светочувствительным устройством. К ним относятся:

Photo-Транзистор и Photo-Darlington , которые обычно используются в цепях постоянного тока, и Photo-SCR и Photo-TRIAC , которые используются для управления цепями переменного тока.

four-types-of-optocouplers

Четыре типа оптопар. (Источник изображения)

Если вы любите приключения, вы можете даже сделать самодельный оптрон с некоторыми запасными частями.Просто соедините светодиод и фототранзистор вместе внутри отражающей пластиковой трубки.

homemade-optocoupler

Самодельный оптрон с тремя простыми деталями. (Источник изображения)

Типичные применения

Оптопары

могут использоваться как коммутационные устройства или использоваться с другими электронными устройствами для обеспечения изоляции между цепями низкого и высокого напряжения. Обычно вы найдете эти устройства для:

  • Микропроцессорное переключение входа / выхода
  • Контроль постоянного и переменного тока
  • Защита оборудования связи
  • Регламент электроснабжения

В этих приложениях вы встретите различные конфигурации.Вот некоторые примеры:

Оптический транзистор

постоянного тока

Эта конфигурация обнаруживает сигналы постоянного тока, а также позволяет управлять оборудованием, работающим от переменного тока. MOC3020 идеально подходит для управления сетевым подключением или подачи импульса затвора на другой фототриак с ограничителем тока.

opto-transistor-dc-switch

(Источник изображения)

Triac Оптопара

Эта конфигурация позволит вам управлять нагрузками переменного тока, такими как двигатели и лампы. Он также способен проводить в обеих половинах цикла переменного тока с обнаружением пересечения нуля.Это позволяет нагрузке получать полную мощность без каких-либо значительных скачков тока при переключении индуктивных нагрузок.

triac-optocoupler

(Источник изображения)

Руководство по компоновке печатных плат

Прежде чем добавлять оптопару к вашей плате, рассмотрите следующие три рекомендации:

  • Держите соединения заземления оптопары отдельно

Стандартная оптопара включает в себя два заземляющих контакта, один для светодиода, а другой для светочувствительного устройства.Соединение обоих этих заземлений вместе откроет вашу чувствительную схему к любому шуму от внешнего заземления. Чтобы избежать этого, всегда создавайте две точки подключения, одну для внешних выводов заземления, а другую для входных проводов заземления.

  • Выберите правильное значение резистора для ограничения тока

Выбор токоограничивающего резистора, который работает при минимальном значении оптопары, приведет к ошибочному поведению. Также можно выбрать резистор, который выдает слишком большой ток, что приведет к срабатыванию светодиода.При выборе значения для вашего резистора, обязательно найдите значение минимального прямого тока из таблицы коэффициентов передачи тока в спецификации вашего оптопары. Vishay имеет отличное руководство о том, как прочитать таблицу данных оптопары здесь.

  • Узнайте, какой оптрон вам нужен

Не все оптопары созданы равными, и вам нужно будет выбрать правильный тип для вашего приложения. Например, Opto-Triac используется, если вам нужно контролировать нагрузку переменного тока.Опто-Дарлингтон предназначен только для небольших входных токов. Если все, что вам нужно, - это стандартная входная изоляция, тогда обычный оптрон PC817 выполнит свою работу. Эта статья Nuts and Volts определенно стоит прочитать, чтобы понять типы и различия оптопар.

библиотек оптопар в EAGLE

Управляемые онлайн-библиотеки Autodesk EAGLE включают целую категорию оптопар для использования в вашем следующем проекте. Это лучше, чем создавать собственные пакеты и символы с нуля! Чтобы использовать эту библиотеку, убедитесь, что оптопара.lbr активируется в вашей панели управления Autodesk EAGLE, как показано ниже. Если это так, то у вас будет доступ ко всем этим устройствам при следующем добавлении компонента.

optocoupler-library-use

Готовы запустить изолирующие цепи и защитить низковольтные устройства? Загрузите Autodesk EAGLE бесплатно сегодня, чтобы начать использовать входящие в комплект библиотеки Optocoupler!

,Оптрон

- это ... Что такое оптрон?

  • оптопара - существительное Оптоизолятор… Викисловарь

  • оптрон -… Полезный словарь английского языка

  • оптронное полупроводниковое устройство - optroninis puslaidininkinis įtaisas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. оптронное полупроводниковое устройство; фотопривязанное полупроводниковое устройство вок. Halbleiterbaustein mit Optokopplerverbindung, m; optrongekoppeltes Halbleitergerät… Radioelektronikos terminų žodynas

  • Оптоизолятор - Эта статья посвящена электронному компоненту.Для оптического компонента, см. Оптический изолятор. Принципиальная схема оптоизолятора, показывающая источник света (светодиод) слева, диэлектрический барьер в центре и датчик (фототранзистор) на…… Wikipedia

  • Оптоэлектроника - Не путать с электрооптикой. Оптоэлектроника - это исследование и применение электронных устройств, которые излучают, обнаруживают и контролируют свет, обычно рассматриваемый как область фотоники. В этом контексте свет часто включает в себя невидимые формы ... ... Википедия

  • Реле - Эта статья о электрическом компоненте.Для других целей, см. Relay (значения). Миниатюрное реле автомобильного типа, снятый пылезащитный чехол. Реле представляет собой электрический переключатель. Многие реле используют электромагнит для управления ... ... Википедия

  • Фотодиод - Три Si и один Ge (нижний) фотодиод Символ для фотодиода… Wikipedia

  • Усилитель с переменным усилением - Усилитель с регулируемым усилением или напряжением - это электронный усилитель, который изменяет свое усиление в зависимости от управляющего напряжения (часто сокращенно CV).У VCA есть много приложений, включая сжатие аудио уровня, синтезаторы и амплитуду ... ... Википедия

  • Flyback преобразователь - Преобразователь Flyback представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный с гальванической развязкой между входом и выходом (-ами). Точнее говоря, обратный преобразователь представляет собой понижающий повышающий преобразователь с разделенным индуктором для формирования трансформатора, так что отношения напряжения… Wikipedia

  • Гальваническая развязка - это принцип изоляции функциональных секций электрических систем, чтобы частицы, несущие заряд, не могли перемещаться из одной секции в другую, т.е.е. нет электрического тока, протекающего непосредственно от одной секции к другой. Энергия и / или ... Википедия

  • Opto-pairur - Photocoupleur Un photocoupleur (ou optocoupleur) est un composant electronique, способный преобразовывать сигнал и отключать электрическую цепь без подключения к сети, без контакта с гальваникой entre eux [1]. Термины фотопары и традиции…… Wikipédia en Français

  • ,

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *