2. Оптроны и оптоэлектронные микросхемы. Введение в оптоэлектронику

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.

• Фотодиод, фототранзистор, фототиристор, оптрон, разновидности индикаторов

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

• Оптопара PC817 принцип работы и очень простая проверка.

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:

• Твердотельные реле. Виды и особенности. Принцип действия и применение

• Свойства полупроводников. Устройство и принцип действия

• Гальваническая развязка часть 1

• Гальваническая развязка часть 2

• IGBT транзисторы. Устройство и работа. Параметры и применение

РубрикаОБОРУДОВАНИЕ

Оптрон также называется оптопарой. Он состоит из фотоприемника и непосредственно излучателя. Оба элементы помещаются в герметичный корпус, где создан вакуум. Есть огромное количество разновидностей оптопар. Это диодные виды, резисторные или тиристорные оптопары, но существуют и другие. Ее название зависит от типа фотоприемника. Излучателем служит, как правило, светодиод, основанный на полупроводниковом эффекте. Обычны это инфракрасный свет с длиной волны 0,9-1,2 мКм.

Также существуют светодиоды красного света и даже имеющие в качестве источника света лампы накаливания. В статье будет рассказано о строении таких оптопар, как они устроены и где они применяются. В качестве дополнения, статья содержит два видеоролика и одна научная статья.

Оптроны и их размеры.

Свойства и характеристики

В оптроне входная и выходная цепи гальванически развязаны между собой; взаимодействие цепей ограничено паразитными ёмкостями между выводами оптрона. Тепловым воздействием излучателя на фотоприёмник на практике можно пренебречь.

Электрическая прочность (допустимое напряжение между входной и выходной цепями) зависит от конструктивного оформления прибора; для распространённых отечественных DIP-корпусов предельное напряжение между цепями нормируется на 500 или 1000 В, при этом сопротивление изоляции нормируется на уровне 10 11 Ом. Реальное напряжение электрического пробоя такого прибора — порядка нескольких киловольт.

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 низких частот с граничной полосой порядка единиц Гц.

Сравнение International Rectifier с другими производителями

Устройство и виды запорной арматуры

Ведущими мировыми производителями оптоэлектронных реле считаются Avago, Clare, Cosmo, Fairchild, NEC, Panasonic, Sharp, Toshiba. Детальное сравнение, а, тем более подбор аналогов, очевидно, выходит за возможности данного обзора.

Имеет смысл сравнивать по двум группам (быстродействующие, низковольтные мощные реле). Очевидно, что сравнение технических параметров реле общего назначения даст примерно одинаковые результаты. Сопоставляются компоненты близкие по величине рабочего напряжения (300 В для быстродействующие и 60 В для низковольтных мощных). После чего сравниваются три основных параметра: ток нагрузки, сопротивление замкнутого контакта и время срабатывания. Результаты сравнения приведены в таблицах 8 и 9.

Сравнение быстродействующих оптореле

Сравнение низковольтных мощных оптореле

Для оптореле PVA3055 сопоставимое изделие найдено только у Clare. Изделия, сравнимые с PVA3324, есть и у других производителей, однако по быстродействию (особенно если брать сумму TON+TOFF) они существенно уступают предложению International Rectifier.

Поскольку производители в основном не указывают, для какого варианта подключений даны параметры, принимаем вариант А, как наиболее жесткий. В качестве базы для сравнения возьмем PVG612A и PVG612 с током нагрузки, соответственно, 1 и 2 А. При сравнимом значении коммутируемой мощности для этой группы оптореле сопротивление замкнутого контакта — более важный параметр, нежели задержка срабатывания, поскольку напрямую определяет потери мощности и, соответственно, нагрев реле. В обоих случаях можно говорить о том, что предложения International Rectifier — одни из лучших. Отметим, что у Avago, Cosmo и NEC в одном, а у Fairchild в обоих случаях не нашлось сопоставимых изделий.

Схемы работы оптопар

Применение оптопар (оптронов) позволяет решать множество задач, в частности контроль значений параметров от различных датчиков – уровень, влажность, концентрация и т.д); использование в устройствах автоматики и релейных защит электрооборудования; в диагностических аппаратах. В тех или иных случаях схемы включения оптопар отличны друг от друга.

В качестве примера приведем несколько линейных схем:

Рисунок 2 – Линейная развязка аналогового сигнала с помощью оптронов: 01- оптопары; У1, У2 — усилители

Передача аналоговых сигналов осуществляется по развязанной гальванически цепи с использованием двух одинаковых оптронов, один из которых предназначен осуществляет обратную связь.

Читайте также: Грех сребролюбия в православии

Рисунок 3 – Развязка между блоков U1- оптопара; VT1 – транзистор; R2 – сопротивление

Часто применяется в радиотехнике. Выходной сигнал Блока 1 подается на Блок 2 посредством оптопары-диода. В случае использования в Блоке 2 микросхемы с небольшим током на входе, то усилитель не требуется и оптопара-диод работает в фотогенерирующем режиме.

Рисунок 4 – Реле оптоэлектронное

Сигналы от фотоприемника оптопары удобно и практично использовать на воздействие исполнительных механизмов опять же через гальваническую развязку (к примеру: включение света, электродвигателе и другого оборудования).

На рисунке 4 изображена схема полупроводникового разомкнутого реле. Коммутация тока происходит в реле. Транзистор оптопары принимает фотосигнал и открывает VT1, VT2 транзисторы, далее включается нагрузка.

Особенности устройств

Рпу 2

Отсутствие переходных процессов в виде дуги и искр увеличивает время эксплуатации в несколько раз. Если обычный контакт, в лучшем случае, рассчитан на 500 тысяч коммутаций, то силовой электронный элемент не имеет таких данных. Даже при более высокой стоимости, электронные реле выгоднее использовать еще и с точки зрения экономии, ведь для их включения и выключения необходимо меньше потратить электроэнергии по сравнению с традиционным электромагнитным реле, и управление мощной нагрузкой происходит непосредственно микросхемами.

Номенклатура типов изделий довольно большая: от миниатюрных размеров до устройств, управляющих двигателями исполнительных механизмов. Также разница и в типе коммутируемого напряжения, на постоянное и переменное. Это необходимо учитывать при выборе твердотельного реле.

У каждого устройства есть свои слабые стороны, и твердотельные реле не исключение. Ахиллесова пята электронных ключей — это чувствительность к току нагрузки, превышение которого электронные компоненты тяжело переживают, а при превышении в несколько раз, и вовсе выходят из строя. Поэтому при подборе или замене аппарата, необходимо ответственно подойти и к защите ключа защитными устройствами. Нужно выбирать ключи в два или три раза большим током, от коммутируемой нагрузки

Помимо этого важно снабдить силовую цепь предохранительными плавкими вставками или быстрыми специальными автоматами класса В

Конструкции оптоэлектронных пар

Рис.6

Различные виды оптронов

Конструкции оптопар различны: составные на дискретных элементах, пленочные, монолитные. Рассмотрим примеры конструкций оптопар на дискретных элементах. В бескорпусной оптопаре (Рис.6) СИ — светоизлучатель; ФП — фотоприемник; ОС — оптическая среда; 1 — выводы светоизлучателя; 2 — выводы фотоприемника. Кристаллы светоизлучателя и фотоприемника размещены в оптической иммерсионной среде строго параллельно. В качестве оптической среды используются в основном органические полимерные оптические клеи. Распространенные в оптопарах светодиоды имеют кольцевую излучающую область с расположенным в центре и вынесенным из активной области излучения омическим контактом. В такой конструкции при минимальной площади свечения светодиода уменьшаются потери энергии излучения из-за затенения и краевых эффектов, снижаются требования к точности взаимного расположения светодиода и фотоприемника.

Рис.7

Для повышения коэффициента передачи оптопары чувствительная площадь фотоприемника многократно превышает излучательную площадь светодиода. Структуру фотоприемников оптопар изготовляют в основном из кремния. Наибольшее распространение получили фотодиоды с p-i-n структурой, биполярные фототранзисторы, фототиристоры, структуры фотодиод — транзистор и др.

Конструкция оптопары в металлостеклянном корпусе приведена на Рис.7. Для уменьшения емкости развязки до 10-3-10-4 пФ в оптическую среду встраивают заземленную металлическую сетку ЗС или стекло с проводящим покрытием из материалов SnO2, In2O3 Сопротивление развязки оптопары достигают значения 1014 -1016 Ом.

Рис.8

Потери на торцевое и обратное излучение светодиода снижены в конструкции оптопары на Рис.4, где О — отражатель; КВ(М) — металлический кольцевой вывод p- области фотоприемника, изолированный от n- области диэлектрическим слоем SiO2. Отражатель направляет лучи светодиода, показанные на рисунке линиями со стрелками, на чувствительную площадь фотодиода и увеличивает примерно вдвое коэффициент передачи оптопары. Конструктивное исполнение оптопары с гальванической развязкой до нескольких десятков киловольт показано на Рис 8. Развязку обеспечивает жесткий стеклянный световод ОС, помещенный в корпус оптопары К.

Пример пленочной конструкции оптопары приведен на Рис. 1.а. На стеклянную подложку СП с двух сторон наносится слой SnO2, образующий прозрачные электроды ПЭ. На одном из прозрачных электродов методом вакуумного испарения формируется пленочный слой люминофора — сернистого цинка ZnS, активированного примесями меди Cu и марганца Mn, а затем — металлический электрод МЭ. На другой прозрачный электрод наносится фоторезистивный слой сульфида кадмия с центрами чувствительности из атомов меди CdS:Cu, а на него напыляется металлический электрод МЭ гребенчатой структуры. Тонкопленочный люминофор — светоизлучатель СИ оптопары может работать при малом напряжении постоянного тока. Свечение обусловлено возбуждением атомов марганца в люминофоре «горячими» (высокоэнергетичными) электронами, образующимися в гетеропроходе p-Cu2S — n-ZnS(Mn) в поверхностном слое пленки. Световой поток распространяется в направлении фотоприемника оптопар ФП фоторезистора через стеклянную подложку и прозрачные электроды, образующие оптическую среду.

Пример твердотельного реле

Предположим, нам нужен микроконтроллер с сигналом порта цифрового выхода всего лишь +5 В для управления нагревательным элементом 120 В переменного тока, 600 Вт. Для этого мы могли бы использовать опто-триационный изолятор MOC 3020, но внутренний триак может пропускать только максимальный ток (I TSM ) в пике 1 А на пике источника переменного тока 120 В, поэтому необходимо также использовать дополнительный переключающий триак.

Сначала давайте рассмотрим входные характеристики оптоизолятора MOC 3020 (доступны другие опто-триаки). Спецификация оптоизоляторов говорит нам, что прямое напряжение (V F ) падения входного светодиода составляет 1,2 В, а максимальный прямой ток (I F ) составляет 50 мА.

Светодиоду требуется около 10 мА, чтобы он мог достаточно ярко светиться до максимального значения 50 мА. Однако порт цифрового выхода микроконтроллера может выдавать максимум 30 мА. Тогда значение требуемого тока лежит где-то между 10 и 30 миллиампер. Следовательно:

Таким образом, можно использовать резистор для ограничения последовательного тока со значением от 126 до 380 Ом. Поскольку порт цифрового выхода всегда переключается на +5 В и для уменьшения рассеивания мощности через светодиод оптопары мы выберем предпочтительное значение сопротивления 240 Ом. Это дает светодиодный прямой ток менее 16 мА. В этом примере подойдет любое предпочтительное значение резистора между 150 Ом и 330 Ом.

Нагрузка нагревательного элемента составляет 600 Вт. Использование 120 В переменного тока даст нам ток нагрузки 5 ампер (I = P / V). Поскольку мы хотим управлять этим током нагрузки в обоих полупериодах (все 4 квадранта) формы сигнала переменного тока, нам потребуется триак переключения сети.

BTA06 — это симистор 600 В на 6 ампер (I T (RMS) ), подходящий для общего / двухпозиционного переключения нагрузок переменного тока, но подойдет любой аналогичный симистор с номинальным напряжением 6–8 ампер. Кроме того, для этого переключающего триака требуется только 50 мА привода затвора для запуска проводимости, что намного меньше максимального значения 1 А для оптоизолятора MOC 3020.

Учтите, что выходной триак оптоизолятора включился при пиковом значении (90 o ) среднеквадратичного напряжения питания 120 В переменного тока. Это пиковое напряжение имеет значение: 120 x 1,414 = 170Vpk. Если максимальный ток опто-триаков (I TSM ) составляет 1 А, то минимальное значение требуемого последовательного сопротивления составляет 170/1 = 170 Ом или 180 Ом до ближайшего предпочтительного значения. Это значение 180 Ом будет защищать выходной триак оптопары, а также затвор триака BTA06 при питании 120 В переменного тока.

Если симистор оптоизолятора включается при значении пересечения нуля (0 o ) среднеквадратичного переменного напряжения питания 120 В , то минимальное напряжение, необходимое для подачи требуемого тока возбуждения затвора 50 мА, заставляющего переключающий триак в проводимость, будет: 180 Ом х 50 мА = 9,0 вольт. Затем симистор срабатывает, когда синусоидальное напряжение Gate-to-MT1 превышает 9 вольт.

Таким образом, минимальное напряжение, требуемое после точки пересечения нуля формы сигнала переменного тока, должно составлять 9 вольт, при этом рассеяние мощности в этом последовательном затворном резисторе очень мало, поэтому можно безопасно использовать резистор номиналом 0,5 Ом с сопротивлением 0,5 Ом и номиналом 0,5 Вт. Рассмотрим схему ниже.

Принцип действия оптопар

Оптопара используется как элемент электрической развязки в цифровых и импульсных устройствах, устройствах передачи аналоговых сигналов, системах автоматики для бесконтактного управления высоковольтными источниками питания и др. Она является составным элементом оптических микросхем. В устройстве оптопары (Рис.1.а) — светоизлучатель, — фотоприемник, — оптическая среда, — металлические электроды, — прозрачные электроды. В качестве светоизлучателя в оптопарах применяются светодиоды, лазеры и другие излучатели, а в качестве фотоприемника — фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы и фототиристоры. По типу используемого фотоприемника различают диодные, транзисторные, тиристорные и резисторные оптопары.

Принцип действия оптопары показан на Рис.1. На вход оптопары поступает электрический сигнал, например импульс тока IВХ (Рис.1.б), преобразуемый светоизлучателем в импульс светового потока. Световой импульс излучается на рабочей длине волны в направлении фотоприемника, проходит через оптическую среду с малым затуханием и в фотоприемнике преобразуется в электрический сигнал. Форма выходного импульса тока показана на (Рис. 1.в). Преобразование электрический сигнал — световой сигнал осуществляется с помощью модуляции оптической несущей в светоизлулучателе. Гальваническая развязка входной 11 и выходной 22 цепей оптопары достигается за счет оптически прозрачной диэлектрической среды между приемником и излучателем, причем все компоненты оптопары должны быть оптически согласованы. Это достигается соответствующим выбором материалов. На Рис.2 приведены примеры подобранных пар полупроводниковых материалов для фотоприемника и светоизлучателя в диапазоне волн 0.2 — 20 мкм. В качестве светоизлучателей оптопар преимущественно используются светодиоды.

Рис.2

Эквивалентная схема оптопар

В режиме передачи аналоговых сигналов оптопару можно представить в виде линейного четырехполюсника с — параметрами. Сигнал в оптопаре передается только от светоизлучателя к фотоприемнику, поэтому четырехполюсник должен быть направленным. Его схема содержит лишь идеальные генераторы, а проводимость цепи обратной связи четырехполюсника На Рис.5 показана эквивалентная схема оптопары с идеальной гальванической развязкой. Входной электрический сигнал реальной оптопары через параметры развязки и поступает на выход четырехполюсника. С учетом параметров развязки эквивалентная схема преобразуется: конденсатор и резистор моделируют входную емкость и дифференциальное сопротивление светоизлучателя, конденсатор и резистор – моделирует выходную емкость и выходное дифференциальное сопротивление фотоприемника, конденсатор и резистор — учитывают емкость и сопротивление развязки оптопары, источник тока – показывает преобразование входного сигнала оптопарой.

PVI: фотоизолятор для внешних ключей большой мощности

Приборы этой серии не являются реле в собственном смысле слова. То есть не способны коммутировать потоки большой энергии с помощью малой. Они лишь обеспечивают гальваническую развязку входа от выхода, откуда и их название — фотоэлектрический изолятор (рис. 5).

Рис. 5.

Зачем же нужно такое «недореле»? Дело в том, что приборы серии PVI вырабатывают при получении входного сигнала электрически изолированное постоянное напряжение, которое достаточно для непосредственного управления затворами мощных MOSFET и IGBT. Фактически это оптореле, но без выходного ключа, в качестве которого разработчик может использовать подходящий для него по мощности отдельный транзистор.

PVI идеально подходят для применений, требующих высокотокового и/или высоковольтного переключения с оптической изоляцией между схемой управления и мощными схемами нагрузки.

К тому же изолятор серии PVI1050N

содержит в себе два одновременно управляемых выхода, что дает возможность подключать их последовательно или параллельно для обеспечения более высокого значения тока управления (МОП) или более высокого значения напряжения управления (БТИЗ). Таким образом фактически можно получить выходной сигнал 10 В/5 мкА при последовательном включении и 5 В/10 мкА — при параллельном.

Два выхода PVI1050N могут применяться и по отдельности, при условии что разность потенциалов между выходами не превышает 1200 В (пост.) Изоляция вход-выход составляет 2500 В (действ.).

Приборы данной серии выпускаются в 8-выводных DIP-корпусах и находят применение в организации управления мощными нагрузками, преобразователях напряжения и т.п.

Разгоняем оптрон до сотни

Если поискать в интернете схемы подключения оптронов, то можно обнаружить, что в подавляющем большинстве случаев предлагается просто добавить резистор. Это самая простая схема, она же и самая медленная. Когда скорость реакции не устраивает, предлагается ставить более быстрый оптрон, но, во-первых, быстрые оптроны — это дорого, и во-вторых, почему бы не разогнать быстрый оптрон до ещё большей скорости?

Итак, в чём основная проблема передачи сигнала через оптопару? Обычно в оптопаре на выходе стоит биполярный транзистор, а все биполярные транзисторы страдают такой проблемой как ёмкость переходов. Основную проблему создаёт ёмкость между коллектором и базой, во время переходных процессов именно она мешает транзистору быстро открываться и закрываться. Это явление называется эффект Миллера. Ещё во времена ламповых приёмников придумали, как с ним бороться. Основная идея в том, чтобы напряжение между базой и коллектором не менялось, в таком случае не придётся тратить время на перезарядку паразитной ёмкости.

Для примера давайте сравним, как ведёт себя оптрон при обычном включении и при включении с постоянным напряжением. В первом случае ёмкость заряжается так медленно, что выходной сигнал болтается где-то возле середины.

А теперь модельное включение, которое должно показать предельно достижимое время реакции.

Такой сигнал (красный график) выглядит намного приятнее, фронты уменьшились до 0.1 мкс. В исходном они были где-то 2-3 мкс, то есть ускорение примерно в 20-30 раз. Теперь возникает вопрос, как этим воспользоваться на практике, снять сигнал с оптрона, не меняя напряжения. И первый способ — это каскодное включение (зелёный график).

Уже неплохо, со 100 кБит/с разогнались до 1 Мбит/с, но всё ещё не идеально. Если добавить ещё один резистор, то можно построить дифференциальный усилитель.

Немного Титце и Шенка, и пожалуйста, графики практически совпали, 3 мкс превратились в 100 нс.

Ура, всё работает, расходимся? Нет, нужно больше золота, так что переходим ко второй части. Сейчас мы боролись с выходной ёмкостью, но есть ещё входная ёмкость, и для неё так же существуют стандартные схемотехнические методы. Почему бы, например, не включить на вход конденсатор, чтобы он быстрее заряжал ёмкость светодиода.

Как видите, для нарастающего фронта это оказалось серебряной пулей. Теперь надо разогнать спадающий фронт, и здесь возникает проблема. У нас ведь однополярное питание, а для разряда светодиода нужно отрицательное напряжение. Поэтому следующим шагом будет схема со сдвигом уровня (не знаю, есть ли тут общепринятое название). Ставим на выходе компаратор, который сравнивает ток через оптрон. Его можно собрать из пары токовых зеркал, подобный входной каскад повсеместно ставится в ОУ и компараторах.

Пары транзисторов продаются в одном корпусе, так что должно получиться довольно компактно. Вторая серебряная пуля готова, однако можно заметить, что спадающий фронт немного отстаёт. И наконец мы пришли к золоту: вместо самодельного компаратора ставим промышленный. Вот они, фронты 10 нс.

Можно поднять входную частоту до 100 МГц и посмотреть, что там в итоге получилось.

В принципе неплохо, можно в продакшен, правда здесь возникает другая проблема — такие компараторы дорогие.

P.S.: в последней схеме с трудом подобрал номиналы, так что не надейтесь, что она у вас заработает на заявленной частоте.

Схемы моделировались в LTspice.

Применение оптопар

На сегодняшнее время оптопары очень хорошо изучены и широко распространены в различных сферах деятельности. Особое место применения оптронов в схемах для логического согласования различных блоков, которые содержат элементы с исполнительными органами.

Как уже было сказано, ранее оптроны применяются для гальванической развязки в цепях с отличными блоками, преобразования и модуляции импульсов для управления аппаратами, контроля и управления, сигнализации и защиты электрического оборудования и процессов (счетчики, коммутаторы, реле, электрические измерительные устройства).

Применение

Существует множество сфер, в которых необходимо использование оптронов. Такая широта применения обусловлена тем, что они являются элементами, обладающими множеством различных свойств и на каждое их качество приходится отдельная сфера применения.

• Фиксация механического воздействия (применяются устройства, оснащённые оптическим каналом открытого типа, который можно перекрыть (оказать механическое воздействие), а значит, само устройство можно использовать как сенсор):
• Детекторы наличия (выявление наличия/отсутствия бумажных листов в принтере);
• Детекторы конечной (начальной) точки;
• Счётчики;
• Дискретные спидометры.
• Гальваническая изоляция (использование оптронов позволяет передавать сигнал не связанный с напряжением, также с их помощью обеспечивается бесконтактное управление и защита), которая может обеспечиваться:
• Оптопарой (в большинстве случаев применяется как информационный передатчик);
• Оптореле (более прочего подходит для управления сигнальными и силовыми цепями).

Использование

Оптроны имеют несколько областей применения, использующих их различные свойства:

Механическое воздействие

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), счётчиках и дискретных спидометрах на их базе (например, координатные счётчики в механической мыши, ареометры).

Гальваническая развязка

Оптроны используются для гальванической развязки цепей — передачи сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты. Некоторые стандартные электрические интерфейсы, например,

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 него радиации, а фотоприёмник фиксирует падение его свечения и сообщает о тревоге.

Достоинства и недостатки оптоэлектронных пар

К достоинствам оптоэлектронных пар относятся почти идеальная гальваническая развязка, невосприимчивость оптического канала связи к воздействию электромагнитных помех, совместимость по параметрам входных и выходных сигналов с интегральными схемами, широкие функциональные возможности.

Недостатки оптоэлектронных пар — низкий КПД преобразования энергии сигналов, высокая потребляемая мощность, температурная зависимость параметров, относительно малый рабочий диапазон температур, невысокий срок службы, конструктивное несовершенство и др. носят временный характер

Параметры и особенности работы устройства

Опираясь на точную конструкцию прибора, можно определить его электрическую прочность. Под этим термином понимается значение напряжения, возникающего между цепями входа и выхода.Так, производители оптопар, обеспечивающих гальваническую изоляцию, демонстрируют целый ряд моделей с различными корпусами:

1. DIP;2. SOP;3. SSOP;4. Miniflat-lead.

В зависимости от типа корпуса у оптопары формируется то или иное напряжение изоляции. Чтобы создать условия, в которых уровень напряжения достаточный для пробоя изоляции был достаточно велик, следует сконструировать оптопару таким образом, чтобы следующие детали были расположены достаточно далеко друг от друга:

• Световой диод и оптический регистратор;
• Внутренняя и внешняя сторона корпуса.

В отдельных случаях можно обнаружить оптопары специализированной группы, изготавливаемые в соответствии с международным стандартом безопасности. Уровень электрической прочности у этих моделей на порядок выше. Другой значимый параметр транзисторной оптопары носит название «коэффициента передачи тока». Согласно значению этого коэффициента устройство относят к той или иной категории, что и отображается в названии модели.

Относительно уровня нижней рабочей частоты оптронов никаких ограничений нет: они хорошо функционируют в цепи с постоянным током. А верхняя граница рабочей частоты этих приборов, задействованных в передаче сигналов цифрового происхождения, исчисляется в сотнях мегагерц. Для оптронов линейного типа этот показатель ограничивается десятками мегагерц. Для самых медленных конструкций, включающих в себя лампу накаливания, наиболее характерна роль низкочастотных фильтров, работающих на частотах, не достигающих 10 Герц

Существует две основные причины тому, что работа транзисторной пары сопровождается шумовыми эффектами:

• Проходная ёмкость между световым диодом и транзисторной базой;
• Паразитная ёмкость между коллектором и фототранзисторной базой.

Чтобы побороть первую причину, понадобится вмонтировать особый экран. Вторая же устраняется через верно подобранный рабочий режим.

Датчик скорости с оптопарой.

Оптореле

Оптореле, иначе называемое твердотельным реле, обычно используется для регуляции работы цепи с большими управляющими токами. Роль управляющего элемента здесь обычно выполняют два MOSFET транзистора со встречным подключением, подобная конфигурация обеспечивает возможность функционирования в условиях переменного тока.

Классификация видов оптореле

Для оптореле определено три типа топологий:

1. Нормально разомкнутые.Предполагается, что управляющая цепь будет замыкаться лишь в момент подачи управляющего напряжения на выводы светового диода.
2. Нормально замкнутые.Предполагается, что управляющая цепь будет размыкаться лишь в момент подачи управляющего напряжения на выводы светового диода.
3. Переключающая.Третья топология предполагает сочетание каналов нормально-замкнутого и нормально разомкнутого типа.

Оптореле подобно оптопаре имеет характеристику по электрической прочности.

Разновидности оптореле

• Модели стандартного типа;
• Модели, имеющие малое сопротивление;
• Модели, имеющие малое СxR;

• Модели, имеющие малое напряжение смещения;
• Модели, имеющие высокое напряжение изоляции.

Что это такое

Конструкция оптрона подразумевает наличие специального светового излучателя (в современных устройствах для этого применяются световые диоды, прежние модели оснащались малогабаритными лампами накаливания) и устройства, отвечающего за преобразование полученного оптического сигнала (фотоприёмника). Обе эти составляющие объединяются при помощи оптического канала и общего корпуса.

Существует несколько характеристик, в соответствии с которыми можно разделить модели оптопар на несколько групп. В зависимости от степени интеграции:

• элементарный оптрон – включает в себя 2 и более элемента объединённых общим корпусом;
• оптронная интегральная схема – конструкция состоит из одной и более оптопар и, помимо этого, ещё может быть оснащена дополняющими элементами (например, усилителем).

В зависимости от разновидности оптического канала:

• Оптический канал открытого типа;
• Оптический канал закрытого типа.

В зависимости от типа фотоприёмника:

• Фоторезисторные (или просто резисторные оптопары);
• Фотодиодные оптопары;
• Фототранзисторные (используется обычный или составной биполярный фототранзистор) оптопары;

• Фототиристорные, либо фотосимисторные оптопары;
• Оптопары функционирующие с помощью фотогальванического генератора;
• Солнечная батарейка.

Оптопарой (иначе – оптроном) называют электронные прибора предназначенные для преобразования электрических сигналов в световые, их передачи через оптические каналы и повторного преобразования сигнала вновь в электрический.

Конструкция устройств последнего вида зачастую дополняются полевыми транзисторами, за управление затвором которого отвечает тот же генератор. Фотосимисторные оптроны или те, которые оснащены полевыми транзисторами, могут называться «оптореле», либо «твердотельное реле».

Схема подключения открытой оптопары.

Сфера применения устройства

Используются они в самых различных сферах:

• В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок.
• Другая важнейшая область применения оптронов – оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами. Импульсные блоки питания.
• Создание “длинных” оптронов (приборов с протяженным гибким волоконно-оптическим световодом) открыло совершенно новое направление применения изделий оптронной техники – связь на коротких расстояниях.
• Различные оптроны находят применение и в радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и других.
• Воздействие по оптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима.
• Возможность изменения свойств оптического канала при различных внешних воздействиях на него позволяет создать целую серию оптронных датчиков: таковы датчики влажности и загазованности, датчика наличия в объеме той или иной жидкости, датчики чистоты обработки поверхности предмета, скорости его перемещения.
• Универсальность оптронов как элементов гальванической развязки и бесконтактного управления, разнообразие и уникальность многих других функций являются причиной того, что сферами применения optocoupler стали вычислительная техника, автоматика, связная и радиотехническая аппаратура, автоматизированные системы управления, измерительная техника, системы контроля и регулирования, медицинская электроника, устройства визуального отображения информации.

Вид оптопары с разных сторон.

Преимущества оптронов

• возможность обеспечения гальванической развязки между входом и выходом;
• для оптронов не существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости;
• возможность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей;
• однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;
• широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот;
• возможность передачи по оптронной цепи, как импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;
• возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации;
• возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении изменяются по сложному заданному закону;
• невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а также исключает взаимные наводки;
• физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и радиоэлектронными приборами.

Будет интересно➡ Что такое симистор (триак)

Недостатки оптронов

• значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии (электричество – свет – электричество) и невысокими КПД этих переходов;
• повышенная чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей радиации;
• временная деградация параметров optocoupler;
• относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный, как и два предыдущих недостатка, особенностями физики светодиодов;
• сложность реализации обратных связей, вызванная электрической разобщенностью входной и выходной цепей;
• конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии, с необходимостью объединения в одном приборе нескольких – отдельных кристаллов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях.

Структура оптрона

Описание устройства

Излучатель – бескорпусный светодиод, – как правило, помещают в верхней части металлического корпуса, а в нижней – на кристаллодержателе – укрепляют кристалл кремниевого фотоприемника, например фототиристора. Все пространство между светодиодом и фототиристором заливают твердеющей прозрачной массой. Эту заливку покрывают отражающим внутрь световые лучи слоем, который препятствует рассеянию света за пределы рабочей зоны. Мало отличается от описанной конструкция резисторного оптрона.

Здесь в верхней части металлического корпуса укреплена сверхминиатюрная лампа накаливания, а в нижней – фоторезистор на основе селенистого кадмия. Фоторезистор изготавливают отдельно, на тонкой подложке из ситалла. На нее напыляют пленку из полупроводникового материала – селенида кадмия, а затем – формообразующие электроды из токопроводящего материала (например алюминия). К электродам приваривают выходные выводы. Жесткое соединение лампы и подложки между собой обеспечивается затвердевшей прозрачной массой. Отверстия в корпусе для выводов оптрона залиты стеклом. Герметичное соединение крышки и основания корпуса обеспечено сваркой.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристорного оптрона примерно такая же, что и у одиночного тиристора. При отсутствии входного тока (I=0 – темновая характеристика) фототиристор может включиться только при очень высоком значении приложенного к нему прямого напряжения (800…1000 В). Так как практически приложение столь большого напряжения недопустимо, то эта кривая имеет чисто теоретический смысл.

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

Если приложить к фототиристору прямое рабочее напряжение (от 50 до 400 В, в зависимости от типа оптрона), включение прибора возможно только при подаче входного тока, который теперь является управляющим. Скорость включения оптрона зависит от значения входного тока. Типичные значения времени включения t=5…10 мкс. Время выключения оптрона связано с процессом рассасывания неосновных носителей тока в переходах фототиристора и зависит только от значения протекающего выходного тока. Реальное значение времени выключения находится в пределах 10…50 мкс.

Будет интересно➡ Маркировка SMD транзисторов

Максимальный и рабочий выходной ток фоторезисторного оптрона резко уменьшается при увеличении температуры окружающей среды выше 40 градусов по цельсия. Выходное сопротивление этого оптрона до значения входного тока 4 мА остается постоянным, а при дальнейшем увеличении входного тока (когда яркость свечения лампы накаливания начинает возрастать) резко уменьшается. Кроме описанных выше, существуют оптроны с так называемым открытым оптическим каналом. Здесь осветителем служит светодиод инфракрасного излучения, а фотоприемником могут быть фоторезистор, фотодиод или фототранзистор.

Отличие этого оптрона в том, что его излучение выходит наружу, отражается от какого-либо внешнего предмета и возвращается в оптрон, к фотоприемнику. В таком оптроне выходным током может управлять не только входной ток, но также изменение положения внешней отражающей поверхности. У оптронов с открытым оптическим каналом оптические оси излучателя и приемника расположены либо параллельно, либо под небольшим углом. Существует конструкции подобных оптронов с соосным расположением оптических осей. Такие приборы называют оптопрерывателями.

Оптрон или оптопара.