Dispozitivul și principiul de funcționare al optocuplelor. Schema bloc a optocuplelor

Descriere, caracteristici, fișă de date și metode de testare a optocuplelor folosind exemplul PC817.

În continuarea subiectului „Componente radio populare pentru repararea surselor de alimentare comutatoare”, vom analiza încă un detaliu - optocupler (optocupler) PC817. Este format dintr-un LED și un fototranzistor. Ele nu sunt conectate electric între ele, datorită cărora, pe baza PC817 este posibil să se implementeze izolarea galvanică a două părți ale circuitului - de exemplu, cu tensiune înaltă și joasă. Deschiderea fototranzistorului depinde de iluminarea LED-ului. Voi analiza mai detaliat cum se întâmplă acest lucru în articolul următor, unde în experimente, aplicând semnale de la generator și analizându-l cu un osciloscop, puteți înțelege o imagine mai precisă a funcționării optocuplerului.

În alte articole, voi vorbi despre utilizarea non-standard a unui optocupler, primul în rol, iar în al doilea. Și folosind aceste soluții de circuit, voi asambla un tester optocupler foarte simplu. Care nu are nevoie de dispozitive scumpe și rare, ci doar de câteva componente radio ieftine.

Produsul nu este rar și nu este scump. Dar mult depind de asta. Este folosit în aproape toate sursele de alimentare comutatoare care rulează (nu mă refer la nicio sursă exclusivă) și acționează ca feedback și cel mai adesea împreună cu componenta radio foarte populară TL431

Pentru acei cititori cărora le este mai ușor să perceapă informațiile după ureche, vă sfătuim să urmăriți videoclipul din partea de jos a paginii.

Optocupler (Optocupler) PC817

Scurte caracteristici:

Carcasă compactă:

  • pasul pinului - 2,54 mm;
  • între rânduri - 7,62 mm.

Producătorul PC817 este Sharp, există alți producători de componente electronice care produc analogi, de exemplu:

  • Siemens-SFH618
  • Toshiba-TLP521-1
  • NEC-PC2501-1
  • LITEON-LTV817
  • Cosmo-KP1010

Pe lângă optocuplerul unic PC817, sunt disponibile și alte opțiuni:

  • PC827 - dual;
  • PC837 - construit;
  • PC847 - quad.

Testul optocuplerului

Pentru un test rapid al optocuplerului, am efectuat câteva experimente de testare. În primul rând pe placa.

Opțiunea pentru placa de test

Ca rezultat, a fost obținut un circuit foarte simplu pentru testarea PC817 și a altor optocuple similare.

Prima versiune a schemei

Am respins prima opțiune pentru că a inversat marcajul tranzistorului de la n-p-n la p-n-p

Prin urmare, pentru a evita confuzia, am schimbat schema în următoarea;

A doua versiune a schemei

A doua opțiune a funcționat corect, dar a fost incomod să dezlipiți priza standard

sub microcircuit

Priză SCS-8

A treia versiune a schemei

Cel mai de succes

Uf este tensiunea de pe LED-ul la care fototranzistorul începe să se deschidă.

în versiunea mea Uf = 1,12 volți.

Rezultatul este un design foarte simplu.

Un optocupler este un dispozitiv semiconductor optoelectronic care conține o sursă și un receptor de radiație optică, care sunt interconectate optic și structural și concepute pentru a efectua diverse transformări funcționale ale semnalelor electrice și optice.

Sursele de radiație pot fi lămpi cu incandescență, lămpi cu descărcare în gaz, emițători cu semiconductori, LED-uri. În circuitele optoelectronice integrate, sursa de radiație optică este un LED de injecție, care oferă optocuple de mare viteză. Fotodetectoarele pot fi: fotorezistoare, fotodiode, fototranzistoare, fototiristoare. Combinația unui LED cu unul dintre acești fotodetectori într-un element structural a făcut posibilă crearea unui număr de optocuple cu diferite caracteristici: rezistor, diodă, tranzistor, tiristor (Fig. 5.19). Legătura de legătură dintre sursa de radiație și fotodetector este un mediu optic pasiv sau activ care acționează ca ghid de lumină.

Fig.8.18. Tipuri de optocuptoare: rezistor (a), diodă (b), tranzistor (c), tiristor (d),

Principiul de funcționare al unui optocupler se bazează pe conversia dublă a energiei. În sursele de radiație, energia unui semnal electric este convertită în radiație optică, iar în fotodetectoare, un semnal optic este convertit într-un semnal electric (curent sau tensiune). Un optocupler este un dispozitiv cu semnale electrice de intrare și ieșire.

Ghidul de lumină asigură izolarea galvanică a circuitelor de intrare și ieșire (rezistența de izolație poate ajunge la 10 12 ... 10 14 Ohm, iar capacitatea de cuplare este de 10 -2 pF) și transmiterea unidirecțională a semnalului de la sursa de radiație la fotodetector, care este tipic pentru liniile de comunicații optice.

Avantajele optocuplelor sunt:

1. lipsa conexiunii electrice între intrare și ieșire, precum și feedback între fotodetector și sursa de radiații.

2. lățime de bandă largă a oscilațiilor electrice, care vă permite să transmiteți semnale în intervalul de frecvență de la 0 la 10 14 Hz.

3. imunitate ridicată la zgomot a canalului optic, care se datorează imunității fotonilor la efectele câmpurilor electromagnetice externe.

4. ușurința combinării optocuplelor cu microcircuite în diverse dispozitive de telecomunicații.

Optocuptoarele sunt folosite ca:

a) un element de izolare electrică în dispozitivele digitale și cu impulsuri, precum și în dispozitivele analogice.

b) controlul fără contact al surselor de înaltă tensiune în diverse sisteme de automatizare.

c) o cheie pentru generarea și comutarea impulsurilor puternice, precum și pentru conectarea senzorilor cu dispozitive și blocuri de măsură.

Optocuptoarele cu rezistență sunt cele mai versatile. Ele pot fi utilizate în dispozitive analogice și cheie, au o gamă largă de modificări de rezistență (zeci până la sute de MΩ în stări neaprinse și sute de ohmi în stări iluminate) și o gamă de frecvență joasă. Într-un optocupler cu rezistență, LED-urile care funcționează într-o gamă optică largă sunt utilizate ca emițător. Pentru a obține parametrii energetici, este necesară potrivirea emițătorului și receptorului în ceea ce privește caracteristicile spectrale.


Optocuptoarele cu rezistență sunt descrise de următorii parametri ai circuitului de intrare și ieșire:

1. Curentul maxim de intrare I in. max este valoarea maximă a mediei de intrare sau curent continuu.

2. Tensiunea de intrare U in este tensiunea constantă sau efectivă aplicată la bornele de intrare ale emițătorului la curentul de intrare de funcționare.

3. Ieșire curent de comutare I out. com este curentul nominal de ieșire controlat de sarcină.

4. Curentul maxim de ieșire este valoarea curentului la care optocuplerul cu rezistență funcționează pentru o perioadă lungă de timp.

5. Tensiunea maximă de comutare de ieșire este valoarea maximă a tensiunii la ieșirea optocuplerului.

6. Disiparea maximă a puterii la ieșirea optocuplerului, care asigură funcționarea pe termen lung a dispozitivului.

7. Ieșire întuneric și rezistență la lumină de ieșire.

8. Capacitate C pr - între intrarea și ieșirea optocuplerului.

9. Rezistența de izolație R of este rezistența dintre intrarea și ieșirea optocuplerului.

10. Tensiunea maximă de izolație este tensiunea maximă la care se menține rezistența și fiabilitatea produsului aplicat între intrarea și ieșirea casetei opto.

Exemple de optocuple cu rezistență pot fi: OEP-16, OEP-1, OEP-2, OEP-9.

Optocuptoarele cu diodă sunt folosite ca cheie și pot comuta curentul cu o frecvență de 10 6 ... 10 7 Hz. Rezistența la întuneric ajunge la 10 8 ... 10 10 ohmi, iar atunci când este iluminată scade la sute de ohmi. Rezistența între circuitele de intrare și de ieșire 10 13 ... 10 15 Ohm. Emițătorul din optocuptoarele cu diodă este un LED care funcționează în regiunea infraroșie a radiației, iar o fotodiodă de siliciu este utilizată ca fotodetector. LED-ul are un răspuns spectral maxim la o lungime de undă de aproximativ 1 μm.

Optocuptoarele cu diode sunt descrise de următorii parametri ai circuitului de intrare și ieșire:

1. U in - tensiunea de intrare este determinată pentru un curent de intrare dat care curge prin LED;

2. eu in. max este valoarea maximă a curentului continuu sau a curentului pulsat la care este asigurată funcționarea fiabilă pe termen lung a optocuplerului;

3. U in. arr. max - aceasta este tensiunea inversă maximă de intrare aplicată la intrarea optocuplerului, care asigură funcționarea fiabilă pe termen lung a optocuplerului;

4. I t - curent de ieșire (termic) al fotodiodei în absența intrării (flux foto);

5. Am afară. arr - curent invers de ieșire la o tensiune de ieșire dată și fără curent de intrare.

6. U out. Max. arr - tensiunea inversă maximă a circuitului de ieșire, la care fotodioda funcționează fiabil și pentru o perioadă lungă de timp;

7. t nr - timpul de creștere a semnalului de ieșire, la care amplitudinea tensiunii de ieșire se modifică de la 0,1 la 0,5 U out. Max;

8. t cn - timpul de dezintegrare al semnalului de ieșire. În această perioadă de timp, tensiunea de ieșire scade de la 0,9 la 0,5 din valoarea sa maximă.

Exemple de optocuptoare cu diode sunt AOD101A ... AOD101D, AOD107, ZOD107A etc.

Optocuptoarele cu tranzistori sunt mai sensibile decât optocuptoarele cu diode. Viteza nu depășește 10 5 Hz. Optocuplatorul tranzistorului folosește un LED cu o lungime de undă de emisie de aproximativ 1 μm, iar ca fotodetector este folosit un fototranzistor de siliciu de tip n-p-n.

Dacă nu există radiație optică, atunci un mic curent invers (curent întuneric) curge întotdeauna în circuitul colector al fototranzistorului, a cărui valoare depinde puternic de temperatură. Pentru a reduce curentul de întuneric, este conectat un rezistor extern între bornele de bază și emițător cu o valoare de ordinul 0,1 ... 1,0 M Ohm.

Optocuplul tranzistorului este descris de parametrii circuitelor de intrare și de ieșire. Având în vedere că aproape aceleași LED-uri sunt utilizate în optocuplele cu diode și tranzistori, parametrii de intrare ai optocuplelor cu tranzistori sunt aceiași ca și pentru optocuptoarele cu diode.

Optocuplul tranzistorului este descris de următorii parametri ai circuitului de ieșire:

1. U rest - tensiune reziduală de ieșire la ieșirea optocuplerului când fototranzistorul este deschis;

2. Iut.out - curent care circulă în circuitul de ieșire cu un fototranzistor închis (curent de scurgere);

3. P cf. max - puterea maximă medie de disipare la care optocuplerul menține funcționarea fiabilă pe termen lung;

4. Ies. max - curentul maxim de ieșire al fototranzistorului cu funcționarea sa fiabilă;

5. t nr - timpul de creștere a semnalului de ieșire, la care tensiunea de ieșire se modifică de la 0,9 la 0,1 din valoarea sa maximă.

6. t cn - timpul de scădere a tensiunii de ieșire, la care tensiunea de ieșire crește de la 0,1 la 0,9 din valoarea maximă.

7. t on - on time - acesta este timpul din momentul în care semnalul de intrare este aplicat până în momentul în care semnalul de intrare ajunge la 0,1 U in. Max. sau este timpul turmei - t cn tensiune de ieșire la nivelul de 0,1 U out. Max.

8. t off - off time - acesta este timpul în care semnalul de intrare scade la 0,9 U intrare max. sau este t nr - timpul de crestere al tensiunii de iesire la 0,9 U out.max.

9. Tensiunea maximă de izolare U of - tensiunea care poate fi aplicată între intrare și ieșire și la care se menține rezistența electrică a optocuplerului.

Exemple de optocuple cu tranzistori sunt: ​​AOT123A, ZOT123B, AOT110(A, B, C), ZOT123A, AOT123T etc.

Optocuplele tiristorice sunt utilizate în modurile cheie, pentru formarea și comutarea impulsurilor puternice. Emițătorul din optocuplerul tiristor este un LED, iar receptorul este un fototiristor de siliciu. Fototiristorul rămâne aprins chiar și atunci când LED-ul nu mai emite lumină. În acest sens, semnalul luminos de control de la LED poate fi aplicat doar pentru timpul necesar pentru deblocarea tiristorului. Toate acestea permit reducerea energiei necesare controlului optocuplerului fototiristor. Pentru a opri fototiristorul, este necesar să eliminați tensiunea externă. Toate acestea disting un optocupler cu tiristor de unul cu tranzistor. Optocuplul tiristor este descris de următorii parametri:

1. Curent de pornire I on (curent de acționare de intrare I in, srab) - curent continuu constant al optocuplerului, care pune optocuplerul în stare deschisă cu un mod de intrare dat;

2. Curentul de impuls I incl. im - amplitudinea impulsului de curent de intrare de o durată dată, care pornește optocuptoarele în stare deschisă;

3. Uin - tensiunea de intrare la intrarea LED-ului la un curent de pornire de intrare dat;

4. I in - curent constant de intrare al LED-ului;

5. eu in. im - curent de impuls de intrare al optocuplerului;

6. Am afară. închis - curent de ieșire în stare închisă, care circulă în circuitul de ieșire atunci când fototiristorul este închis și în modul dat;

7. Am afară. arr - curent invers de ieșire care curge în starea închisă a fototiristorului;

8. U ost - tensiune de ieșire pe un fototiristor deschis;

9. Am afară. ud - curent de menținere - cel mai mic curent al fototiristorului în stare deschisă;

10. U out.min - tensiunea de ieșire constantă minimă pe fototiristor la care optocuplerul este pornit cu un semnal de intrare dat;

11. U out.obr - tensiunea maximă de ieșire la care este asigurată fiabilitatea specificată;

12. t on - on time - acesta este intervalul de timp dintre impulsul curentului de intrare la nivelul de 0,5 și curentul de ieșire la nivelul de 0,9 al valorii maxime;

13. t off - off time - acesta este intervalul de timp de la sfârșitul curentului de ieșire până la începutul următorului curent de ieșire, sub influența căruia fototiristorul nu trece în starea deschisă.

14. C out - capacitatea de ieșire la ieșirea optocuplerului tiristor în stare închisă.

Exemple de optocuple cu tiristoare: AOU103A, ZOU103A, AOU103V, ZOU103B.

Instruire

Dacă optocuplerul, a cărui capacitate de funcționare este setată, este lipit pe placă, este necesar să îl opriți, să descărcați condensatorii electrolitici de pe el și apoi să dezlipiți optocuplerul, amintindu-ne cum a fost lipit.

Optocuplele au emițători diferiți (lămpi cu incandescență, lămpi cu neon, LED-uri, condensatoare emițătoare de lumină) și diferiți receptori de radiații (fotorezistoare, fotodiode, fototranzistoare, fototiristoare, fotosimistoare). De asemenea, sunt fixate. Prin urmare, este necesar să găsiți date despre tipul și pinout-ul optocuplerului fie în cartea de referință sau fișa de date, fie în circuitul dispozitivului în care a fost instalat. Adesea, pinout-ul optocuplerului este aplicat direct pe placa acestui dispozitiv.Dacă dispozitivul este modern, puteți fi aproape sigur că emițătorul din acesta este un LED.

Dacă receptorul de radiații este o fotodiodă, conectați elementul optocupler la acesta, respectați polaritatea, într-un lanț format dintr-o sursă de tensiune constantă de câțiva volți, un rezistor proiectat astfel încât curentul prin receptorul de radiații să nu depășească cel admisibil, și un multimetru care funcționează în modul de măsurare curent la limita corespunzătoare.

Acum introduceți emițătorul optocuplerului în modul de funcționare. Pentru a porni LED-ul, treceți prin el un curent continuu egal cu curentul nominal în polaritate directă. Aplicați tensiunea nominală lampii cu incandescență. Conectați cu grijă o lampă de neon sau un condensator care emite lumină la rețea printr-un rezistor cu o rezistență de 500 kΩ la 1 MΩ și o putere de cel puțin 0,5 W.

Fotodetectorul trebuie să răspundă la includerea emițătorului printr-o schimbare bruscă a modului. Acum încercați să opriți și să porniți emițătorul de mai multe ori. Fototiristorul și fotorezistorul vor rămâne deschise chiar și după ce acțiunea de control este eliminată până când alimentarea lor este oprită. Alte tipuri de fotodetectoare vor răspunde la fiecare modificare a semnalului de control.Dacă optocuplerul are un canal optic deschis, asigurați-vă că reacția detectorului de radiații se modifică atunci când acest canal este blocat.

După ce a făcut o concluzie despre starea optocuplerului, deconectați configurația experimentală și dezasamblați-o. După aceea, lipiți optocuplerul înapoi pe placă sau înlocuiți-l cu altul. Continuați să reparați dispozitivul care include optocuplorul.

Un optocupler sau optocupler constă dintr-un emițător și un fotodetector separat unul de celălalt printr-un strat de aer sau o substanță izolatoare transparentă. Nu sunt interconectate electric, ceea ce face posibilă utilizarea dispozitivului pentru izolarea galvanică a circuitelor.

Instruire

Conectați circuitul de măsurare la fotodetectorul optocuplerului în funcție de tipul acestuia. Dacă receptorul este un fotorezistor, utilizați un ohmmetru obișnuit, iar polaritatea este neimportantă. Când utilizați o fotodiodă ca receptor, conectați un microampermetru fără sursă de alimentare (pozitiv la anod). Dacă semnalul este primit de un fototranzistor n-p-n, conectați un circuit cu o rezistență de 2 kilo-ohmi, o baterie de 3 volți și un miliampermetru și conectați bateria cu un plus la colectorul tranzistorului. Dacă fototranzistorul are o structură p-n-p, inversați polaritatea conexiunii bateriei. Pentru a verifica fotodinistorul, faceți un circuit dintr-o baterie de 3 V și un bec de 6 V, 20 mA, conectându-l cu un plus la anodul dinistorului.

În majoritatea optocuplelor, emițătorul este un LED sau un bec incandescent. Aplicați tensiunea nominală unui bec incandescent în oricare dintre polarități. De asemenea, puteți aplica o tensiune alternativă, a cărei valoare efectivă este egală cu tensiunea de funcționare a lămpii. Dacă emițătorul este un LED, aplicați-i o tensiune de 3 V printr-un rezistor de 1 kΩ (pozitiv la anod).

Optocuplele vă permit să rezolvați aceleași probleme ca perechile individuale de emițător - fotodetector, cu toate acestea, în practică, sunt de obicei mai convenabile, deoarece s-au potrivit deja în mod optim cu caracteristicile emițătorului și fotodetectorului și poziția lor relativă.

Dacă vorbim despre cea mai evidentă aplicație a unui optocupler, care nu are analogi printre alte dispozitive, este un element de izolare galvanică. Optocuptoarele (sau, așa cum sunt numite uneori, optocuplele) sunt folosite ca dispozitive de comunicație între unități hardware la potențiale diferite pentru a interfața microcircuite cu niveluri logice diferite. În aceste cazuri, optocuplerul transmite informații între blocuri care nu au o conexiune electrică și nu poartă o sarcină funcțională independentă.

Nu mai puțin interesantă este utilizarea optocuplelor ca elemente de control optic fără contact al dispozitivelor de înaltă tensiune și de înaltă tensiune.

Pe optocuple, este convenabil să construiți unități de lansare pentru tiratroni puternici, dispozitive de distribuție și releu, dispozitive de comutare a sursei de alimentare etc.

Optocuplele cu canal optic deschis simplifică rezolvarea problemelor de monitorizare a parametrilor diferitelor medii, vă permit să creați diverși senzori (umiditate, nivel și culoare de lichid, concentrație de praf etc.).

Unul dintre cele mai importante este circuitul liniar, conceput pentru transmiterea nedistorsionată a semnalelor analogice pe un circuit izolat galvanic. Complexitatea acestei probleme se datorează faptului că, pentru liniarizarea caracteristicii de transfer într-o gamă largă de curenți și temperaturi, este necesară o buclă de feedback, care în mod fundamental nu este implementată în prezența izolației galvanice. Prin urmare, ele urmează calea utilizării a două optocuple identice (sau a unui optocupler diferenţial), dintre care unul acţionează ca un element auxiliar care oferă feedback (Fig. 6.13). În astfel de circuite, este convenabil să folosiți optocuple diferențiale KOD301A, KOD303A.

Pe fig. 6.14 prezintă o diagramă a unui amplificator cu tranzistor în două trepte cu cuplaj optoelectronic. Modificarea curentului colectorului tranzistorului VT1 determină o modificare corespunzătoare a curentului LED-ului optocuplerului U1 și rezistența fotorezistorului său, care este inclus în circuitul de bază al tranzistorului VT2 . pe rezistența de sarcină R2 aloca

semnal de ieșire amplificat. Utilizarea unui optocupler elimină aproape complet transmisia semnalului de la ieșire la intrarea amplificatorului.

Optocuplele sunt convenabile pentru izolarea galvanică între blocuri în echipamentele electronice. De exemplu, în circuitul de izolare galvanică a două blocuri (Fig. 6.15), semnalul de la ieșirea blocului 1 trecut la intrarea blocului 2 prin optocupler cu diodă U1. Dacă un circuit integrat cu un curent de intrare scăzut este utilizat ca al doilea bloc, nu este nevoie să folosiți un amplificator, iar fotodioda optocuplerului în acest caz funcționează în modul fotogenerator.

Orez. 6.13. Izolarea galvanică a semnalului analogic: 01, 02 - optocuple, U1, U2 - amplificatoare operaționale

Orez. 6.14. Amplificator cu tranzistor în două trepte cu cuplaj optoelectronic

Optocuplele și microcircuitele optoelectronice sunt utilizate în dispozitivele de transmitere a informațiilor între blocuri care nu au conexiuni electrice închise. Utilizarea optocuplelor crește semnificativ imunitatea la zgomot a canalelor de comunicație, elimină interacțiunile nedorite ale dispozitivelor decuplate de-a lungul circuitelor de alimentare și a unui fir comun. Circuitele de interfață care utilizează optocuple sunt utilizate pe scară largă în tehnologia de calcul și măsurare, în dispozitivele de automatizare, mai ales atunci când senzorii sau alte dispozitive de recepție funcționează în condiții periculoase sau inaccesibile pentru oameni.

De exemplu, implementarea conexiunii elementelor logice independente galvanic poate fi realizată folosind un comutator optoelectronic (Fig. 6.16). Un comutator optoelectronic poate fi un cip K249LP1, care include un optocupler fără pachet și o poartă standard.

Optocuplele fac posibilă simplificarea soluționării problemelor de conjugare a blocurilor care sunt eterogene în scopul lor funcțional
natura sursei de alimentare, de exemplu, actuatoare alimentate cu un curent alternativ și circuite de generare a semnalului de control alimentate de surse de curent continuu de joasă tensiune.

Un grup mare de sarcini este, de asemenea, coordonarea microcircuitelor digitale cu diferite tipuri de logică: logica tranzistor-tranzistor (TTL), emițător

logic (ESL), structura complementară „metal-oxide-semiconductor” (CMOS), etc. Un exemplu de circuit de potrivire pentru un element TTL cu MIS folosind un optocupler tranzistor este prezentat în Figura 6.17. Etapele de intrare și de ieșire nu au circuite electrice comune și pot funcționa într-o varietate de condiții și moduri.

Izolarea galvanică ideală este necesară în multe cazuri practice, de exemplu, în echipamentele de diagnosticare medicală, atunci când senzorul este atașat la corpul uman, iar unitatea de măsură care amplifică și convertește semnalele senzorului este conectată la rețea. Dacă unitatea de măsurare funcționează defectuos, poate exista pericolul de electrocutare pentru o persoană. Senzorul în sine este alimentat de o sursă de alimentare separată de joasă tensiune și este conectat la unitatea de măsurare printr-un optocuplor izolator (Fig. 6.18).

Optocuptoarele sunt utile și în alte cazuri în care dispozitivele de intrare „neîmpământate” trebuie să fie asociate cu dispozitive de ieșire „împământate”. Exemple de

Aceste sarcini pot fi conectate la o linie de teletip cu afișaj, un „secretar automat” conectat la o linie telefonică etc. De exemplu, în circuitul de interfață al liniei de comunicație cu afișajul (Fig. 6.19, A) amplificatorul operațional asigură nivelul necesar de semnale la intrarea afișajului. În mod similar, puteți conecta consola de transmisie la linia de comunicație (Fig. 6.19, b).

Orez. 6.19. Interfața cu dispozitive „Neîmpământate” și „împământate”.

Orez. 6.20. Relee optoelectronice cu stare solidă:

a - normal deschis, b - normal închis

Este convenabil să se transmită semnalele amplificate ale fotodetectorului către actuatoare (de exemplu, motoare electrice, relee, surse de lumină etc.) prin izolare galvanică optoelectronică. Două variante ale celor mai comune relee semiconductoare, deschise și închise, pot servi drept exemple de astfel de decuplare (Fig. 6.20). Releul comută semnalele DC. Semnalul primit de fototranzistorul optocuplerului deschide tranzistoarele VT1, VT2și include o încărcătură

(fig.6.20, A) sau dezactivați-l (6.20, b).

Figura 6.21. Transformator de impuls optoelectronic

Transformatorul de impulsuri este un element foarte comun al echipamentelor electronice moderne. Este utilizat în diverse generatoare de impulsuri, amplificatoare de putere pentru semnal de impuls, canale de comunicație, sisteme de telemetrie, echipamente de televiziune etc. Designul tradițional al unui transformator de impulsuri care utilizează un circuit magnetic și înfășurări nu este compatibil cu soluțiile tehnologice utilizate în microelectronică. Răspunsul în frecvență al transformatorului în multe cazuri nu permite reproducerea satisfăcătoare atât a semnalelor de joasă cât și de înaltă frecvență.

Un transformator de impulsuri aproape ideal poate fi realizat pe baza unui optocuplor cu diodă. De exemplu, în circuitul unui transformator optoelectronic cu un optocuplor cu diodă, este prezentat un tranzistor (Fig. 6.21) VT1 controlează LED-ul optocuplerului U1 Semnalul generat de fotodiodă este amplificat de tranzistori VT2Și VT3.

Durata frontului impulsurilor depinde în mare măsură de viteza optocuplerului. Fotodiodele sunt cele mai rapide p— i— n-Sf
ructura. Timpul de creștere și scădere a impulsului de ieșire nu depășește câteva zeci de nanosecunde.

Pe baza optocuplelor, au fost dezvoltate și sunt produse microcircuite optoelectronice, care includ unul sau mai multe optocuple, precum și circuite microelectronice, amplificatoare și alte elemente funcționale potrivite.

Compatibilitatea optocuplelor și microcircuitelor optoelectronice cu alte elemente microelectronice standard în ceea ce privește nivelurile semnalului de intrare și ieșire, tensiunea de alimentare și alți parametri a determinat necesitatea standardizării parametrilor și caracteristicilor speciali.

Un optocupler (în rest - un optocupler) este un dispozitiv electronic conceput pentru a converti semnalele electrice în lumină, a le transmite prin canale optice și a reconverti semnalul înapoi în electric. Designul optocuplerului implică prezența unui emițător de lumină special (în dispozitivele moderne se folosesc diode de lumină pentru aceasta, modelele anterioare erau echipate cu lămpi cu incandescență de dimensiuni mici) și un dispozitiv responsabil cu conversia semnalului optic primit (fotodetector). Ambele componente sunt combinate folosind un canal optic și o carcasă comună.

Clasificarea soiurilor de optocuple

Există mai multe caracteristici conform cărora modelele de optocuple pot fi împărțite în mai multe grupuri.

În funcție de gradul de integrare:

  • optocupler elementar - include 2 sau mai multe elemente unite printr-o carcasă comună;
  • circuit integrat optocupler - designul constă din unul sau mai multe optocuptoare și, în plus, poate fi încă echipat cu elemente complementare (de exemplu, un amplificator).

În funcție de tipul de canal optic:

  • Canal optic de tip deschis;
  • Canal optic de tip închis.

În funcție de tipul de fotodetector:

  • Fotorezistor (sau pur și simplu optocuple cu rezistență);
  • Fotodiode optocuple;
  • Fototranzistori (folosind un fototranzistor bipolar convențional sau compus) optocuple;
  • , sau optocuple fototriac;
  • Optocuple care funcționează cu ajutorul unui generator fotovoltaic (baterie solară).

Proiectarea dispozitivelor de acest din urmă tip este adesea completată de tranzistoare cu efect de câmp, același generator fiind responsabil pentru controlul porții.

Optocuplele fototriac sau cele echipate cu tranzistoare cu efect de câmp pot fi numite „opto-releu” sau „”.

Fig.1: Dispozitiv optocupler

Dispozitivele optoelectronice funcționează diferit în funcție de care dintre cele două tipuri de direcții aparțin:

  • Electro-optic.

Funcționarea dispozitivului se bazează pe principiul conform căruia energia luminoasă este convertită în energie electrică. În plus, tranziția se realizează prin intermediul unui corp solid și al proceselor de efect fotoelectric intern care au loc în acesta (exprimat în emisia de electroni de către substanța sub influența fotonilor) și efectul de strălucire sub influența unui electric. camp.

  • Optic.

Dispozitivul funcționează datorită interacțiunii subtile dintre un corp solid și radiația electromagnetică, precum și utilizarea dispozitivelor laser, holografice și fotochimice.

Calculatoarele electronice fotonice sunt asamblate folosind una dintre cele două categorii de elemente optice:

  • Optocuple;
  • Elemente cuanto-optice.

Sunt modele de dispozitive în direcțiile electron-optice și, respectiv, optice.

Dacă optocuplerul va transmite semnalul liniar este determinat de caracteristicile pe care le are fotodetectorul încorporat în proiectare. Cea mai mare liniaritate a transmisiei poate fi de așteptat de la optocuptoarele cu rezistență. Drept urmare, operarea unor astfel de dispozitive este cea mai convenabilă. Cu un pas mai jos sunt modelele cu fotodiode și tranzistoare bipolare simple.

Pentru a asigura funcționarea dispozitivelor cu impulsuri, se folosesc optocuple pe tranzistoare bipolare sau cu efect de câmp, deoarece nu este nevoie de transmisie liniară a semnalului.

În cele din urmă, optocuplele fototiristoare sunt montate pentru a asigura izolarea galvanică și funcționarea în siguranță a dispozitivului.

Aplicație

Există multe domenii în care este necesară utilizarea optocuplelor. O astfel de amploare de aplicare se datorează faptului că sunt elemente cu multe proprietăți diferite și fiecare dintre calitățile lor are un domeniu de aplicare separat.

  • Fixarea impactului mecanic (se folosesc dispozitive echipate cu un canal optic de tip deschis, care pot fi blocate (oferă impact mecanic), ceea ce înseamnă că dispozitivul în sine poate fi folosit ca senzor):
    • Detectoare de prezență (detecția prezenței/absenței colilor de hârtie în imprimantă);
    • Detectoare de punct final (de pornire);
    • Contoare;
    • Vitezometre discrete.
  • Izolarea galvanică (folosirea optocuplelor vă permite să transmiteți un semnal care nu are legătură cu tensiunea, acestea oferă și control și protecție fără contact), care poate fi asigurată de:
    • Optocupler (în cele mai multe cazuri este folosit ca transmițător de informații);
    • Optorelay (mai potrivit pentru controlul circuitelor de semnal și putere).

Optocuple

Utilizarea tranzistorului sau optocuplelor integrate este deosebit de importantă dacă este necesară asigurarea izolației galvanice într-un circuit de semnal sau un circuit cu un curent de control mic. Rolul unui element de control poate fi îndeplinit de dispozitive semiconductoare cu trei electrozi, circuite care controlează semnale discrete, precum și circuite cu o specializare specială.

Fig2: Optocuple 5000 Vrms 50mA.

Parametri și caracteristici ale funcționării optocuplelor

Pe baza designului exact al dispozitivului, este posibil să se determine rezistența dielectrică a acestuia. Acest termen se referă la valoarea tensiunii care apare între circuitele de intrare și de ieșire.Deci, producătorii de optocuptoare care asigură izolare galvanică prezintă o serie de modele cu pachete diferite:

  • SSOP;
  • Mini plumb plat.

În funcție de tipul carcasei, optocuplerul generează una sau alta tensiune de izolare. Pentru a crea condiții în care nivelul de tensiune suficient pentru ruperea izolației a fost suficient de mare, optocuplerul trebuie proiectat astfel încât următoarele părți să fie amplasate suficient de departe una de cealaltă:

  • și înregistrator optic;
  • Interiorul și exteriorul carcasei.

În unele cazuri, puteți găsi optocuple dintr-un grup specializat, fabricate în conformitate cu standardul internațional de siguranță. Nivelul de rezistență electrică al acestor modele este cu un ordin de mărime mai mare.

Un alt parametru semnificativ al unui optocupler cu tranzistor este numit „coeficient de transfer de curent”. În funcție de valoarea acestui coeficient, dispozitivul este atribuit unei categorii sau alteia, care este afișată în numele modelului.

Nu există restricții cu privire la nivelul frecvenței de operare inferioare a optocuplelor: acestea funcționează bine într-un circuit DC. Iar limita superioară a frecvenței de funcționare a acestor dispozitive implicate în transmiterea semnalelor de origine digitală este calculată în sute de megaherți. Pentru optocuplele de tip liniar, această cifră este limitată la zeci de megaherți. Pentru cele mai lente modele, inclusiv o lampă incandescentă, rolul filtrelor trece-jos care funcționează la frecvențe sub 10 Herți este cel mai caracteristic.

Optocuplerul tranzistorului și zgomotul pe care îl produce

Există două motive principale pentru care funcționarea unei perechi de tranzistori este însoțită de efecte de zgomot:

Pentru a depăși primul motiv, va trebui să montați un ecran special. Al doilea este eliminat printr-un mod de operare corect selectat.

Optorelay

Un opto-releu, altfel cunoscut sub numele de releu cu stare solidă, este utilizat în mod obișnuit pentru a regla funcționarea unui circuit cu curenți mari de control. Rolul elementului de control aici este de obicei îndeplinit de două tranzistoare MOSFET cu o conexiune opusă, o astfel de configurație oferind capacitatea de a funcționa în condiții de curent alternativ.

Fig. 3: Optorelay KR293 KP2V

Clasificarea tipurilor de relee opto

Pentru opto-releu sunt definite trei tipuri de topologii:

  1. În mod normal deschis.Se presupune că circuitul de comandă se va închide numai în momentul în care tensiunea de comandă este aplicată la bornele diodei luminoase.
  2. în mod normal închis.Se presupune că circuitul de control se va deschide numai în momentul în care tensiunea de control este aplicată la bornele diodei luminoase.
  3. comutarea.A treia topologie implică o combinație de canale normal închise și normal deschise.

Un opto-releu, ca un opto-cuplaj, are o caracteristică pentru rezistența electrică.

Varietăți de opto-releu

  • Modele de tip standard;
  • Modele cu rezistență scăzută;
  • Modele cu СxR mic;
  • Modele cu tensiune de polarizare scăzută;
  • Modele cu tensiune mare de izolație.

Domenii de aplicare ale releului opto

  • Modem;
  • Aparat de măsură;
  • Interfața cu dispozitivul executiv;
  • Centrale telefonice automate;
  • Contor electric, termic, gaz;
  • Comutator de semnal.

Scrie comentarii, completări la articol, poate am omis ceva. Uitați-vă la , mă voi bucura dacă veți găsi altceva util pe al meu.