Par "optički emiter - optički prijemnik" dugo se koristi u elektronici i elektrotehnici. Elektronička komponenta u kojoj su prijemnik i odašiljač smješteni u istom kućištu i između njih postoji optička veza naziva se optospojnica ili optospojnica.
Optocoupler uređaj
Optospojnik se sastoji od optičkog odašiljača (emitera), optičkog kanala i prijemnika optičkog signala. Fototransmiter pretvara električni signal u optički. Odašiljač je u većini slučajeva LED (raniji modeli koristili su žarulje sa žarnom niti ili neonske žarulje). Korištenje LED dioda je neprincipijelno, ali su izdržljivije i pouzdanije.
Optički signal se preko optičkog kanala prenosi do prijemnika. Kanal je zatvoren – kada svjetlost koju emitira odašiljač ne ide dalje od tijela optospojnice. Tada se signal koji generira prijemnik sinkronizira sa signalom na ulazu odašiljača.Takvi kanali su zračni ili ispunjeni posebnim optičkim spojem. Tu su i "duge" optospojnice, kanal u kojem je optičko vlakno.
Ako je optospojnik projektiran na način da generirano zračenje, prije nego što dođe do prijemnika, napusti kućište, takav se kanal naziva otvorenim. Pomoću njega možete registrirati prepreke koje se pojavljuju na putu svjetlosnog snopa.
Fotodetektor vrši inverznu pretvorbu optičkog signala u električni. Najčešće korišteni prijemnici su:
- Fotodiode. Obično se koristi u digitalnim komunikacijskim linijama. Njihova loza je mala.
- Fotootpornici. Njihova značajka je dvosmjerna vodljivost prijemnika. Struja kroz otpornik može ići u bilo kojem smjeru.
- Fototranzistori. Značajka takvih uređaja je mogućnost upravljanja strujom tranzistora i kroz optotransmiter i kroz izlazni krug. Koristi se u linearnom i digitalnom načinu rada. Zasebna vrsta optospojnika - s paralelno suprotstavljenim tranzistorima s efektom polja. Takvi se uređaji nazivaju čvrsti releji.
- Fototiristori. Takve optospojnice odlikuju se povećanom snagom izlaznih krugova i njihovom brzinom prebacivanja; takvi se uređaji prikladno koriste u upravljanju elementima energetske elektronike. Ovi uređaji su također kategorizirani kao poluprovodnički releji.
Optocoupler mikro krugovi postali su široko rasprostranjeni - sklopovi optocouplera s remenom u jednom paketu. Takvi se optospojnici koriste kao sklopni uređaji i u druge svrhe.
Prednosti i nedostatci
Prva prednost uočena kod optičkih instrumenata je odsutnost mehaničkih dijelova.To znači da tijekom rada nema trenja, trošenja, iskrenja kontakata, kao u elektromehaničkim relejima. Za razliku od drugih uređaja za galvansku izolaciju signala (transformatori i sl.), optospojnici mogu raditi na vrlo niskim frekvencijama, uključujući istosmjernu struju.
Osim toga, prednost optičke izolacije je vrlo niska kapacitivna i induktivna sprega između ulaza i izlaza. Zbog toga se smanjuje vjerojatnost prijenosa impulsa i visokofrekventnih smetnji. Odsutnost mehaničke i električne veze između ulaza i izlaza pruža mogućnost niza tehničkih rješenja za stvaranje beskontaktnih upravljačkih i sklopnih krugova.
Unatoč ograničenjima u stvarnim projektima u smislu napona i struje za ulaz i izlaz, u teoriji ne postoje temeljne prepreke za povećanje ovih karakteristika. To vam omogućuje stvaranje optospojnika za gotovo svaki zadatak.
Nedostaci optospojnika uključuju jednosmjerni prijenos signala - nemoguće je prenijeti optički signal s fotodetektora natrag na odašiljač. To otežava organiziranje povratnih informacija prema odgovoru prijamnog kruga na signal odašiljača.
Na reakciju prijamnog dijela može se utjecati ne samo promjenom zračenja odašiljača, već i utjecajem na stanje kanala (pojava objekata trećih strana, promjena optičkih svojstava kanalskog medija itd.). Takav utjecaj može biti i neelektrične prirode. Time se proširuju mogućnosti korištenja optospojnica. A neosjetljivost na vanjska elektromagnetska polja omogućuje vam stvaranje kanala za prijenos podataka s visokom otpornošću na buku.
Glavni nedostatak optospojnica je niska energetska učinkovitost povezana s gubicima signala tijekom dvostruke pretvorbe signala. Također, nedostatak je visoka unutarnja razina buke. Time se smanjuje osjetljivost optospojnika i ograničava opseg njihove primjene gdje je potreban rad sa slabim signalima.
Pri korištenju optospojnica također se mora uzeti u obzir utjecaj temperature na njihove parametre - značajan je. Osim toga, nedostaci optospojnica uključuju zamjetnu degradaciju elemenata tijekom rada i određeni nedostatak tehnologije u proizvodnji povezan s korištenjem različitih poluvodičkih materijala u jednom paketu.
Karakteristike optospojnika
Parametri optokaplera dijele se u dvije kategorije:
- karakterizira svojstva uređaja za prijenos signala;
- karakterizirajući razdvajanje između ulaza i izlaza.
Prva kategorija je koeficijent prijenosa struje. Ovisi o emisivnosti LED-a, osjetljivosti prijemnika i svojstvima optičkog kanala. Ovaj koeficijent jednak je omjeru izlazne i ulazne struje i za većinu tipova optospojnica iznosi 0,005 ... 0,2. Za tranzistorske elemente koeficijent prijenosa može doseći 1.
Ako optospojnicu smatramo četveropolnim, tada je njegova ulazna karakteristika u potpunosti određena CVC-om opto-emitera (LED), a izlazna karakteristika prijemnika. Prolazna karakteristika je općenito nelinearna, ali neke vrste optospojnica imaju linearne presjeke. Dakle, dio CVC diodnog optospojnika ima dobru linearnost, ali ovaj dio nije jako velik.
Elementi otpornika također se ocjenjuju omjerom otpora tame (s ulaznom strujom jednakom nuli) i otpora svjetlosti. Za tiristorske optospojnice važna karakteristika je minimalna struja držanja u otvorenom stanju. Značajni parametri optospojnice također uključuju najveću radnu frekvenciju.
Kvalitetu galvanske izolacije karakteriziraju:
- maksimalni napon primijenjen na ulaz i izlaz;
- maksimalni napon između ulaza i izlaza;
- izolacijski otpor između ulaza i izlaza;
- kapacitet prolaza.
Posljednji parametar karakterizira sposobnost propuštanja električnog visokofrekventnog signala s ulaza na izlaz, zaobilazeći optički kanal, kroz kapacitet između elektroda.
Postoje parametri koji vam omogućuju da odredite mogućnosti ulaznog kruga:
- najveći napon koji se može primijeniti na ulazne stezaljke;
- maksimalna struja koju LED može izdržati;
- pad napona na LED diodi pri nazivnoj struji;
- Obrnuti ulazni napon - napon obrnutog polariteta koji LED može izdržati.
Za izlazni krug ove karakteristike će biti maksimalna dopuštena izlazna struja i napon, kao i struja curenja pri nultoj ulaznoj struji.
Opseg optokaplera
Optospojnici sa zatvorenim kanalom koriste se tamo gdje je iz nekog razloga (električna sigurnost i sl.) potrebno razdvajanje između izvora signala i prijemne strane. Na primjer, u povratnim petljama prekidačka napajanja - signal se uzima s izlaza PSU, dovodi do zrači elementa, čija svjetlina ovisi o razini napona.Signal ovisno o izlaznom naponu uzima se iz prijemnika i dovodi do PWM kontrolera.
Na slici je prikazan fragment strujnog kruga računala s dvije optospojnice. Gornji optospojnik IC2 stvara povratnu vezu koja stabilizira napon. Donji IC3 radi u diskretnom načinu rada i napaja PWM čip kada je prisutan napon u stanju pripravnosti.
Galvansku izolaciju između izvora i prijemnika također zahtijevaju neka standardna električna sučelja.
Uređaji s otvorenim kanalom koriste se za izradu senzora za detekciju bilo kakvih objekata (prisutnost papira u pisaču), graničnih prekidača, brojača (predmeti na transportnoj traci, broj zubaca zupčanika u manipulatorima miša) itd.
Solid state releji se koriste na istom mjestu kao i konvencionalni releji - za prebacivanje signala. Ali njihovo širenje ometa veliki otpor kanala u otvorenom stanju. Također se koriste kao pokretači za elemente energetske elektronike čvrstog stanja (snažni poljski ili IGBT tranzistori).
Optocoupler je razvijen prije više od pola stoljeća, ali je njegova široka upotreba počela nakon što su LED diode postale pristupačne i jeftine. Sada se razvijaju svi novi modeli optospojnika (uglavnom mikro krugovi koji se temelje na njima), a njihov opseg se samo širi.
Slični članci:
