Dvojice "optický emitor - optický přijímač" se již dlouho používá v elektronice a elektrotechnice. Elektronická součástka, ve které jsou přijímač a vysílač umístěny ve stejném pouzdře a je mezi nimi optické spojení, se nazývá optočlen nebo optočlen.
Optočlenové zařízení
Optočlen se skládá z optického vysílače (emitoru), optického kanálu a přijímače optického signálu. Fotovysílač převádí elektrický signál na optický. Vysílač je ve většině případů LED (dřívější modely používaly žárovky nebo neonové žárovky). Použití LED diod je bezzásadové, ale jsou odolnější a spolehlivější.
Optický signál je přenášen optickým kanálem do přijímače. Kanál je uzavřen - když světlo vyzařované vysílačem nepřesahuje tělo optočlenu. Poté se signál generovaný přijímačem synchronizuje se signálem na vstupu vysílače.Takové kanály jsou vzduchové nebo vyplněné speciální optickou sloučeninou. Existují také "dlouhé" optočleny, jejichž kanál je optické vlákno.
Pokud je optočlen navržen tak, že generované záření před dosažením přijímače opustí pouzdro, nazývá se takový kanál otevřený. S ním můžete registrovat překážky, které vznikají v dráze světelného paprsku.
Fotodetektor provádí inverzní konverzi optického signálu na elektrický. Nejčastěji používané přijímače jsou:
- Fotodiody. Obvykle se používá v digitálních komunikačních linkách. Jejich rodokmen je malý.
- Fotorezistory. Jejich vlastností je obousměrná vodivost přijímače. Proud přes rezistor může jít oběma směry.
- Fototranzistory. Charakteristickým rysem takových zařízení je schopnost řídit tranzistorový proud jak přes optotransmiter, tak přes výstupní obvod. Používá se v lineárním i digitálním režimu. Samostatný typ optočlenů - s paralelně protilehlými tranzistory s efektem pole. Taková zařízení se nazývají polovodičové relé.
- Fototyristory. Takovéto optočleny se vyznačují zvýšeným výkonem výstupních obvodů a rychlostí jejich spínání, taková zařízení se s výhodou používají v řídicích prvcích výkonové elektroniky. Tato zařízení jsou také kategorizována jako polovodičová relé.
Rozšířily se mikroobvody optočlenů - sestavy optočlenů s páskováním v jednom balení. Takové optočleny se používají jako spínací zařízení a pro jiné účely.
Výhody a nevýhody
První výhodou optických přístrojů je absence mechanických částí.To znamená, že během provozu nedochází k tření, opotřebení, jiskření kontaktů, jako u elektromechanických relé. Na rozdíl od jiných zařízení pro galvanické oddělení signálů (transformátory apod.) mohou optočleny pracovat na velmi nízkých frekvencích včetně stejnosměrného proudu.
Výhodou optické izolace je navíc velmi nízká kapacitní a indukční vazba mezi vstupem a výstupem. Díky tomu se snižuje pravděpodobnost přenosu impulsního a vysokofrekvenčního rušení. Absence mechanického a elektrického spojení mezi vstupem a výstupem poskytuje možnost nejrůznějších technických řešení pro vytvoření bezkontaktních ovládacích a spínacích obvodů.
Navzdory omezením v reálných konstrukcích, pokud jde o napětí a proud pro vstup a výstup, teoreticky neexistují žádné zásadní překážky pro zvýšení těchto charakteristik. To vám umožňuje vytvářet optočleny pro téměř jakýkoli úkol.
Mezi nevýhody optočlenů patří jednosměrný přenos signálu - nelze přenést optický signál z fotodetektoru zpět do vysílače. To ztěžuje organizaci zpětné vazby podle odezvy přijímacího obvodu na signál vysílače.
Reakce přijímací části může být ovlivněna nejen změnou vyzařování vysílače, ale také ovlivněním stavu kanálu (vzhled cizích předmětů, změna optických vlastností média kanálu atd.). Takový dopad může být i neelektrické povahy. Tím se rozšiřují možnosti použití optočlenů. A necitlivost vůči vnějším elektromagnetickým polím umožňuje vytvářet kanály pro přenos dat s vysokou odolností proti šumu.
Hlavní nevýhodou optočlenů je nízká energetická účinnost spojená se ztrátami signálu při dvojité konverzi signálu. Nevýhodou je také vysoká hladina vlastního hluku. To snižuje citlivost optočlenů a omezuje rozsah jejich použití tam, kde je potřeba pracovat se slabými signály.
Při použití optočlenů je třeba vzít v úvahu i vliv teploty na jejich parametry - je významný. Mezi nevýhody optočlenů navíc patří znatelná degradace prvků během provozu a určitá netechnologičnost výroby spojená s použitím různých polovodičových materiálů v jednom pouzdru.
Charakteristika optočlenů
Parametry optočlenu spadají do dvou kategorií:
- charakterizace vlastností zařízení pro přenos signálu;
- charakterizující oddělení mezi vstupem a výstupem.
První kategorií je koeficient současného přenosu. Záleží na emisivitě LED, citlivosti přijímače a vlastnostech optického kanálu. Tento koeficient se rovná poměru výstupního proudu ke vstupnímu a pro většinu typů optočlenů je 0,005 ... 0,2. U tranzistorových prvků může koeficient přenosu dosáhnout 1.
Pokud uvažujeme optočlen jako čtyřpólový, pak je jeho vstupní charakteristika zcela určena CVC optoemitoru (LED) a výstup - charakteristikou přijímače. Průchozí charakteristika je obecně nelineární, ale některé typy optočlenů mají lineární úseky. Část CVC diodového optočlenu má tedy dobrou linearitu, ale tato sekce není příliš velká.
Rezistorové prvky jsou také hodnoceny poměrem tmavého odporu (se vstupním proudem rovným nule) ke světlému odporu. Pro tyristorové optočleny je důležitou charakteristikou minimální přídržný proud v otevřeném stavu. Mezi významné parametry optočlenu patří také nejvyšší pracovní frekvence.
Kvalita galvanické izolace se vyznačuje:
- maximální napětí aplikované na vstup a výstup;
- maximální napětí mezi vstupem a výstupem;
- izolační odpor mezi vstupem a výstupem;
- průchodná kapacita.
Poslední parametr charakterizuje schopnost elektrického vysokofrekvenčního signálu unikat ze vstupu na výstup a obcházet optický kanál přes kapacitu mezi elektrodami.
Existují parametry, které vám umožňují určit schopnosti vstupního obvodu:
- nejvyšší napětí, které lze přivést na vstupní svorky;
- maximální proud, který LED vydrží;
- pokles napětí na LED při jmenovitém proudu;
- Reverse Input Voltage - Napětí s obrácenou polaritou, které LED dioda vydrží.
Pro výstupní obvod budou těmito charakteristikami maximální přípustný výstupní proud a napětí, stejně jako svodový proud při nulovém vstupním proudu.
Rozsah optočlenů
Optočleny s uzavřeným kanálem se používají tam, kde je z nějakého důvodu (elektrická bezpečnost atd.) vyžadováno oddělení zdroje signálu od přijímací strany. Například ve zpětnovazebních smyčkách spínané zdroje - signál je odebírán z výstupu PSU, přiváděn do vyzařovacího prvku, jehož jas závisí na napěťové úrovni.Signál v závislosti na výstupním napětí je odebírán z přijímače a přiváděn do PWM regulátoru.
Fragment obvodu napájení počítače se dvěma optočleny je na obrázku. Horní optočlen IC2 vytváří zpětnou vazbu, která stabilizuje napětí. Spodní IC3 pracuje v diskrétním režimu a napájí čip PWM, když je přítomno pohotovostní napětí.
Galvanické oddělení mezi zdrojem a přijímačem je také vyžadováno některými standardními elektrickými rozhraními.
Zařízení s otevřeným kanálem slouží k vytvoření senzorů pro detekci jakýchkoliv objektů (přítomnost papíru v tiskárně), koncových spínačů, počítadel (předměty na dopravníku, počet zubů ozubených kol u myších manipulátorů) atd.
Polovodičová relé se používají na stejném místě jako konvenční relé - pro spínání signálů. Jejich šíření však brání vysoký odpor kanálu v otevřeném stavu. Používají se také jako budiče pro prvky výkonové polovodičové elektroniky (výkonné tranzistory s efektem pole nebo IGBT).
Optočlen byl vyvinut před více než půl stoletím, ale jeho široké použití začalo poté, co se LED diody staly dostupnými a levnými. Nyní se vyvíjejí všechny nové modely optočlenů (většinou na nich založené mikroobvody) a jejich rozsah se pouze rozšiřuje.
Podobné články:
