Оптопары - работа, характеристики, интерфейс, схемы применения

ОПТОМАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНИТЕЛИ ИЛИ ОПТОИЗОЛЯТОРЫ - это устройства, которые обеспечивают эффективную передачу сигнала постоянного тока и других данных по двум ступеням цепи, а также одновременно поддерживают отличный уровень гальванической развязки между ними.

Оптопары особенно полезны там, где электрический сигнал должен быть передан через два этапа цепи, но с крайней степенью гальванической развязки между этапами.

Устройства оптопары работают как переключатели логического уровня между двумя цепями. Они способны блокировать передачу шума через интегральные схемы, изолировать логические уровни от высоковольтной линии переменного тока и устранять контуры заземления.

Оптопары становятся эффективной заменой для реле , и для трансформаторов для сопряжения каскадов цифровых схем.

Кроме того, частотная характеристика оптопары оказывается несравнимой в аналоговых схемах.

Внутренняя конструкция оптопары

Внутри оптопара находится светодиодный инфракрасный или инфракрасный излучатель (обычно изготовленный из арсенида галлия). Этот ИК-светодиод оптически связан с соседним кремниевым фотодетекторным устройством, которое обычно представляет собой фототранзистор, фотодиод или любой аналогичный светочувствительный элемент. Эти два взаимодополняющих устройства герметично заключены в непрозрачный светонепроницаемый корпус.

На приведенном выше рисунке показан вид в разрезе типичной шестиконтактной микросхемы оптопары с двойным входом (DIP). Когда на клеммы, подключенные к ИК-светодиоду, подается соответствующее прямое смещенное напряжение, он изнутри излучает инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 900 до 940 нанометров.

Этот ИК-сигнал попадает на соседний фотодетектор, который обычно представляет собой фототранзистор NPN (с чувствительностью, установленной на идентичной длине волны), и он мгновенно проходит, создавая непрерывность через его выводы коллектора / эмиттера.

Как видно на изображении, ИК-светодиод и фототранзистор установлены на соседних плечах рамки с выводами.

Выводная рамка выполнена в виде штамповки, вырезанной из тонкого токопроводящего листового металла, имеющего несколько ответвлений отделки. Изолированные подложки, которые используются для усиления устройства, создаются с помощью внутренних ветвей. Соответствующие цоколевки DIP соответственно развиваются из внешних ветвей.

После установления проводящих соединений между корпусом кристалла и соответствующими выводами выводной рамки пространство вокруг ИК-светодиода и фототранзистора герметизируется прозрачной смолой с ИК-поддержкой, которая ведет себя как `` световод '' или оптический волновод между два ИК-устройства.

Окончательно вся сборка формуется из светонепроницаемой эпоксидной смолы, образующей DIP-пакет. В конце выводы выводной рамки аккуратно загнуты вниз.

Распиновка оптопары

На приведенной выше схеме показана распиновка типичного оптрона в DIP корпусе. Устройство также известно как оптоизолятор, поскольку между двумя микросхемами отсутствует ток, а только световые сигналы, а также потому, что ИК-излучатель и ИК-детектор имеют 100% электрическую изоляцию и изоляцию.

Другие популярные названия, связанные с этим устройством, - это оптические изоляторы или изоляторы с фотонной связью.

Мы видим, что база внутреннего ИК-транзистора оканчивается выводом 6 микросхемы. Эта база обычно остается неподключенной, поскольку основное назначение устройств - соединить две цепи через изолированный внутренний ИК-световой сигнал.

Точно так же контакт 3 имеет разомкнутую или неподключенную распиновку и не имеет значения. Внутренний ИК-фототранзистор можно преобразовать в фотодиод, просто закоротив и соединив базовый вывод 6 с эмиттерным выводом 4.

Однако указанная выше функция может быть недоступна в 4-контактных оптопарах или многоканальных оптопарах.

Характеристики оптопары

Оптопара демонстрирует одну очень полезную характеристику, а именно ее эффективность связи света, называемую текущий коэффициент передачи, или CTR.

Это соотношение улучшается за счет идеально согласованного спектра сигнала ИК-светодиода со спектром обнаружения соседнего фототранзистора.

Таким образом, CTR определяется как отношение выходного тока к входному при номинальном уровне смещения определенного устройства оптопары. Он представлен в процентах:

CTR = I_ced/ I_жх 100%

Когда в спецификации предлагается CTR равный 100%, это относится к передаче выходного тока 1 мА на каждый мА тока на ИК-светодиод. Минимальные значения CTR могут отличаться от 20 до 100% для разных оптопар.

Факторы, которые могут изменять CTR, зависят от мгновенных характеристик входного и выходного напряжения питания и тока устройства.

На рисунке выше показан график выходного тока внутреннего фототранзистора оптопары (I_CB) от входного тока (I_F), когда на его выводы коллектора / базы подается напряжение VCB 10 В.

Важные технические характеристики оптопары

Некоторые из основных параметров спецификации оптопары можно изучить на основе данных, представленных ниже:

Напряжение изоляции (Viso) : Он определяется как абсолютное максимальное напряжение переменного тока, которое может существовать на ступенях входной и выходной цепи оптопары, не причиняя никакого вреда устройству. Стандартные значения этого параметра могут находиться в диапазоне от 500 В до 5 кВ RMS.

ВЫ: его можно понимать как максимальное напряжение постоянного тока, которое может быть приложено к распиновке фототранзистора устройства. Обычно это может составлять от 30 до 70 вольт.

Если : Это максимальный постоянный прямой ток, который может протекать в ИК-светодиод или I_СЕТЬ . Это стандартные значения допустимой токовой нагрузки, указанные для выхода фототранзистора оптопары, которая может находиться в диапазоне от 40 до 100 мА.

Время подъема / спада : Этот параметр определяет логическую скорость отклика оптопары через внутренний ИК-светодиод и фототранзистор. Обычно это может составлять от 2 до 5 микросекунд как для подъема, так и для спада. Это также говорит нам о пропускной способности устройства оптрона.

Базовая конфигурация оптопары

На рисунке выше показана базовая схема оптопары. Величина тока, который может пройти через фототранзистор, определяется приложенным током прямого смещения ИК-светодиода или I_СЕТЬ, несмотря на то, что они полностью разделены.

Пока переключатель S1 удерживается разомкнутым, ток течет через I_СЕТЬзапрещен, что означает, что на фототранзистор не поступает ИК-энергия.

Это делает устройство полностью неактивным, в результате чего на выходном резисторе R2 возникает нулевое напряжение.

Когда S1 закрыт, ток может течь через I_СЕТЬи R1.

Это активирует ИК-светодиод, который начинает излучать ИК-сигналы на фототранзистор, позволяя ему включиться, и это, в свою очередь, вызывает развитие выходного напряжения на R2.

Эта базовая схема оптопары будет особенно хорошо реагировать на входные сигналы переключения ВКЛ / ВЫКЛ.

Однако при необходимости схема может быть модифицирована для работы с аналоговыми входными сигналами и генерирования соответствующих аналоговых выходных сигналов.

Типы оптопар

Фототранзистор любой оптопары может иметь множество различных выходных коэффициентов усиления и рабочих характеристик. Схема, поясняемая ниже, изображает шесть других форм вариантов оптопар, которые имеют свои собственные специфические комбинации IRED и выходного фотодетектора.

Первый вариант, приведенный выше, указывает на схему оптопары с двунаправленным входом и выходом на фототранзисторе с парой последовательно соединенных IRED на арсениде галлия для связи входных сигналов переменного тока, а также для защиты от обратной полярности на входе.

Обычно этот вариант может иметь минимальный CTR 20%.

Следующий тип, приведенный выше, иллюстрирует оптрон, выходной сигнал которого усилен кремниевым усилителем фотодарлингтона. Это позволяет ему производить более высокий выходной ток по сравнению с другими обычными оптопарами.

Благодаря элементу Дарлингтона на выходе оптопары этого типа способны производить не менее 500% CTR при напряжении между коллектором и эмиттером от 30 до 35 вольт. Эта величина примерно в десять раз выше, чем у обычной оптопары.

Однако они могут быть не такими быстрыми, как другие обычные устройства, и это может быть существенным компромиссом при работе с соединителем фотодарлингтона.

Кроме того, эффективная полоса пропускания может быть уменьшена примерно в десять раз. Стандартные промышленные версии оптопар PhotoDarlington: от 4N29 до 4N33 и 6N138 и 6N139.

Вы также можете приобрести их в виде двух- и четырехканальных соединителей фотодарлингтона.

На третьей схеме выше показана оптопара с IRED и фотодатчиком MOSFET с двунаправленным линейным выходом. Диапазон напряжения изоляции этого варианта может достигать 2500 вольт RMS. Диапазон напряжения пробоя может составлять от 15 до 30 вольт, а время нарастания и спада составляет около 15 микросекунд каждое.

Следующий вариант выше демонстрирует базовый SCR или тиристор на базе опто-фотосенсора. Здесь выход управляется через SCR. Напряжение изоляции соединителей типа OptoSCR обычно составляет от 1000 до 4000 вольт RMS. Он имеет минимальное напряжение блокировки от 200 до 400 В. Наибольшие токи включения (I_fr) может составлять около 10 мА.

На изображении выше показана оптопара с выходом фототриака. Такие выходные ответвители на основе тиристоров обычно имеют прямое запирающее напряжение (VDRM) 400 В.

Также доступны оптопары со свойством триггера Шмитта. Этот тип оптопары показан выше, который включает в себя оптосенсор на основе ИС с ИС триггера Шмитта, которая преобразует синусоидальную волну или любую форму импульсного входного сигнала в прямоугольное выходное напряжение.

Эти устройства на основе ИС-фотоприемников на самом деле предназначены для работы по схеме мультивибратора. Напряжение изоляции может составлять от 2500 до 4000 вольт.

Ток включения обычно составляет от 1 до 10 мА. Минимальный и максимальный рабочий уровни напряжения составляют от 3 до 26 вольт, а максимальная скорость передачи данных (NRZ) составляет 1 МГц.

Цепи применения

Внутреннее функционирование оптопар в точности аналогично работе дискретно настроенного узла ИК-передатчика и приемника.

Контроль входного тока

Как и любой другой светодиод, ИК-светодиоду оптопары также требуется резистор для регулирования входного тока до безопасных пределов. Этот резистор можно подключить к светодиоду оптрона двумя основными способами, как показано ниже:

Резистор можно добавить последовательно либо с выводом анода (a), либо с выводом катода (b) IRED.

Оптопара переменного тока

В наших предыдущих обсуждениях мы узнали, что для входа переменного тока рекомендуется использовать оптопары переменного тока. Однако любую стандартную оптопару можно безопасно настроить с входом переменного тока, добавив внешний диод к входным контактам IRED, как показано на следующей схеме.

Эта конструкция также обеспечивает безопасность устройства от случайных условий обратного входного напряжения.

Цифровое или аналоговое преобразование

Чтобы получить цифровое или аналоговое преобразование на выходе оптопары, резистор можно добавить последовательно с выводом коллектора оптотранзистора или выводом эмиттера соответственно, как показано ниже:

Преобразование в фототранзистор или фотодиод

Как указано ниже, выходной фототранзистор обычного 6-контактного DIP-оптопары можно преобразовать в выход фотодиода, соединив контакт 6 базы транзистора его фототранзистора с землей и оставив эмиттер неподключенным или закоротив его с контактом 6. .

Эта конфигурация вызывает значительное увеличение времени нарастания входного сигнала, но также приводит к резкому снижению значения CTR до 0,2%.

Цифровой интерфейс оптопары

Оптопары могут быть превосходными, когда дело доходит до интерфейса цифрового сигнала, работая с различными уровнями питания.

Оптопары могут использоваться для сопряжения цифровых ИС в идентичных семействах TTL, ECL или CMOS, а также в этих семействах микросхем.

Оптопары также являются фаворитами, когда речь идет о взаимодействии персональных компьютеров или микроконтроллеров с другими мэйнфреймами или нагрузками, такими как двигатели, реле , соленоид, лампы и т. д. На приведенной ниже диаграмме показана схема сопряжения оптрона с цепями TTL.

Сопряжение ИС TTL с оптопарой

Здесь мы видим, что IRED оптопары подключен к + 5V и выходу затвора TTL, вместо обычного способа, который проходит между выходом TTL и землей.

Это связано с тем, что затворы TTL рассчитаны на очень низкие выходные токи (около 400 мкА), но предназначены для потребления тока с довольно высокой скоростью (16 мА). Таким образом, указанное выше соединение обеспечивает оптимальный ток активации для IRED, когда TTL низкий. Однако это также означает, что выходной отклик будет инвертирован.

Другой недостаток, который существует с выходом затвора TTL, заключается в том, что, когда его выход ВЫСОКИЙ или логическая 1, может генерировать уровень около 2,5 В, чего может быть недостаточно для полного выключения IRED. Оно должно быть не менее 4,5 В или 5 В для полного выключения IRED.

Чтобы исправить эту проблему, включен R3, который гарантирует полное отключение IRED всякий раз, когда выход затвора TTL становится ВЫСОКИМ, даже при 2,5 В.

Видно, что выходной контакт коллектора оптопары подключен между входом и землей ИС TTL. Это важно, потому что вход затвора TTL должен быть надлежащим образом заземлен как минимум ниже 0,8 В при 1,6 мА, чтобы обеспечить правильный логический 0 на выходе затвора. Следует отметить, что установка, показанная на рисунке выше, допускает неинвертирующий отклик на выходе.

Сопряжение CMOS IC с оптопарой

В отличие от TTL-аналогов, выходы CMOS IC могут без проблем передавать и потреблять токи достаточной величины до многих мАс.

Следовательно, эти ИС могут быть легко связаны с оптопарой IRED либо в режиме приемника, либо в режиме источника, как показано ниже.

Независимо от того, какая конфигурация выбрана на входе, R2 на выходе должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить полный размах выходного напряжения между состояниями логического 0 и 1 на выходе затвора CMOS.

Взаимодействие микроконтроллера Arduino и BJT с оптопарой

На рисунке выше показано как подключить микроконтроллер или Arduino выходной сигнал (5 В, 5 мА) при относительно большой токовой нагрузке через оптрон и каскады BJT.

При логике ВЫСОКОГО + 5В от Arduino оптопара IRED и фототранзистор остаются выключенными, и это позволяет Q1, Q2 и двигателю нагрузки оставаться включенными.

Теперь, как только выход Arduino становится низким, оптопара IRED активируется и включает фототранзистор. Это мгновенно заземляет базовое смещение Q1, отключая Q1, Q2 и двигатель.

Сопряжение аналоговых сигналов с оптопарой

Оптопара также может эффективно использоваться для сопряжения аналоговых сигналов на двух каскадах схемы путем определения порогового тока через IRED и последующей модуляции его прикладываемым аналоговым сигналом.

На следующем рисунке показано, как этот метод может быть применен для объединения аналогового аудиосигнала.

ОУ IC2 сконфигурирован как схема повторителя напряжения с единичным усилением. IRED оптопары можно увидеть подключенным к цепи отрицательной обратной связи.

Этот цикл заставляет напряжение на R3 (и, следовательно, ток через IRED) точно следовать или отслеживать напряжение, которое прикладывается к контакту № 3 операционного усилителя, который является неинвертирующим входным контактом.

Этот вывод 3 операционного усилителя настроен на половину напряжения питания через цепь делителя потенциала R1, R2. Это позволяет модулировать контакт 3 с помощью сигналов переменного тока, которые могут быть аудиосигналом, и заставляет подсветку IRED изменяться в соответствии с этим аудиосигналом или модулирующим аналоговым сигналом.

Ток покоя или ток покоя, потребляемый для тока IRED, достигается на уровне от 1 до 2 мА через R3.

На выходной стороне оптопары ток покоя определяется фототранзистором. Этот ток развивает напряжение на потенциометре R4, значение которого необходимо отрегулировать таким образом, чтобы он генерировал выходной сигнал покоя, который также был бы равен половине напряжения питания.

Эквивалент трекинг-модулированного выходного аудиосигнала извлекается через потенциометр R4 и отделяется через C2 для дальнейшей обработки.

Сопряжение симистора с оптопарой

Оптопары можно идеально использовать для создания идеально изолированной связи между цепью управления с низким постоянным током и цепью управления симистором с высоким переменным током.

Рекомендуется, чтобы сторона заземления входа постоянного тока была подключена к надлежащей линии заземления.

Полную установку можно увидеть на следующей диаграмме:

Вышеуказанная конструкция может использоваться для изолированного управление сетевыми лампами переменного тока , нагреватели, двигатели и другие подобные нагрузки. Эта схема не является управляемой установкой перехода через нуль, что означает, что триггер входа заставит симистор переключаться в любой точке формы сигнала переменного тока.

Здесь сеть, образованная R2, ​​D1, D2 и C1, создает разность потенциалов 10 В, полученную на входе линии переменного тока. Это напряжение используется для запуск симистора через Q1 всякий раз, когда сторона входа включается путем замыкания переключателя S1. Это означает, что пока S1 открыт, оптопара выключена из-за нулевого смещения базы Q1, которое удерживает симистор в выключенном состоянии.

В момент замыкания S1 активируется IRED, который включает Q1. Q1 впоследствии подключает 10 В постоянного тока к затвору симистора, который включает симистор, и в конечном итоге также включает подключенную нагрузку.

Следующая схема, представленная выше, разработана на основе кремниевого монолитного переключателя нулевого напряжения CA3059 / CA3079. Эта схема позволяет симистору запускаться синхронно, то есть только во время переход через нулевое напряжение формы сигнала цикла переменного тока.

При нажатии кнопки S1 операционный усилитель реагирует на это, только если цикл входного переменного тока симистора составляет около нескольких мВ около линии пересечения нуля. Если входной триггер срабатывает, когда переменный ток не находится рядом с линией пересечения нуля, то операционный усилитель ждет, пока форма волны не достигнет точки пересечения нуля, и только после этого запускает симистор через положительную логику со своего вывода 4.

Эта функция переключения при переходе через нуль защищает подключенное устройство от внезапного сильного скачка и всплеска тока, поскольку включение выполняется на уровне перехода через нуль, а не когда переменный ток находится на более высоких пиках.

Это также устраняет ненужные радиочастотные шумы и помехи в линии электропередачи. Этот переключатель перехода через нуль на основе симистора с оптопарой может эффективно использоваться для создания SSR или твердотельные реле .

Применение оптопары PhotoSCR и PhotoTriacs

Оптопары с фотодетектором в виде фотоскр и выходом фото-симистора обычно рассчитаны на более низкий выходной ток.

Однако, в отличие от других оптопар, optoTriac или optoSCR обладают довольно высокой способностью выдерживать импульсный ток (импульсный), который может быть намного выше, чем их номинальные значения RMS.

Для оптопар SCR спецификация импульсного тока может достигать 5 ампер, но это может быть в форме импульса шириной 100 микросекунд и скважности не более 1%.

С симисторными оптопарами спецификация перенапряжения может составлять 1,2 ампера, что должно длиться только 10 микросекундных импульсов с максимальным рабочим циклом 10%.

На следующих изображениях показано несколько схем применения с симисторными оптронами.

На первой диаграмме можно увидеть photoTriac, настроенный для включения лампы непосредственно от линии переменного тока. Здесь лампа должна быть рассчитана на среднеквадратичное значение менее 100 мА и пиковое значение пускового тока менее 1,2 А для безопасной работы оптопары.

Вторая конструкция показывает, как можно настроить оптрон photoTriac для запуска ведомого симистора и последующего включения нагрузки в соответствии с любой предпочтительной номинальной мощностью. Эту схему рекомендуется использовать только с резистивными нагрузками, такими как лампы накаливания или нагревательные элементы.

На третьем рисунке выше показано, как две верхние схемы могут быть изменены для обработка индуктивных нагрузок как моторы. Схема состоит из R2, C1 и R3, которые генерируют фазовый сдвиг в цепи управления затвором симистора.

Это позволяет симистору выполнить правильное срабатывание. Резисторы R4 и C2 используются в качестве демпфирующей цепи для подавления и контроля всплесков напряжения из-за индуктивных обратных ЭДС.

Во всех вышеупомянутых приложениях размер R1 должен быть таким, чтобы на IRED подавался прямой ток не менее 20 мА для правильного срабатывания симисторного фотодетектора.

Приложение счетчика скорости или детектора оборотов

На приведенных выше рисунках поясняется пара уникальных настраиваемых модулей оптопар, которые можно использовать для счетчиков скорости или измерения частоты вращения.

Первая концепция представляет собой индивидуальную сборку соединителя-прерывателя с прорезями. Мы можем видеть прорезь в виде воздушного зазора между IRED и фототранзистором, которые установлены на отдельных коробках, обращенных друг к другу через прорезь воздушного зазора.

Обычно инфракрасный сигнал может проходить через слот без каких-либо блокировок, пока на модуль подается питание. Мы знаем, что инфракрасные сигналы можно полностью заблокировать, поместив на их пути непрозрачный объект. В обсуждаемом приложении, когда препятствие, такое как спицы колеса, может пройти через прорезь, это вызывает прерывание прохождения ИК-сигналов.

Затем они преобразуются в тактовую частоту на выходе клемм фототранзистора. Эта выходная тактовая частота будет меняться в зависимости от скорости колеса и может быть обработана для необходимых измерений. .

Указанный паз может иметь ширину 3 мм (0,12 дюйма). Фототранзистор, используемый внутри модуля, имеет фототранзистор, который должен иметь минимальный CTR около 10% в «открытом» состоянии.

Модуль на самом деле является копией стандартный оптопара Имея встроенный ИК-датчик и фототранзистор, единственное отличие состоит в том, что здесь они дискретно собраны внутри отдельных коробок с разделяющей их щелью с воздушным зазором.

Первый модуль выше может использоваться для измерения оборотов или как счетчик оборотов. Каждый раз, когда язычок колеса пересекает прорезь оптопары, фототранзистор выключается, генерируя единичный счет.

Прилагаемый второй дизайн показывает модуль оптопары, предназначенный для реагирования на отраженные ИК-сигналы.

IRED и фототранзистор установлены в отдельных отсеках модуля, поэтому обычно они не могут «видеть» друг друга. Однако два устройства установлены таким образом, что оба имеют общий угол фокусировки, который находится на расстоянии 5 мм (0,2 дюйма).

Это позволяет модулю прерывателя обнаруживать близлежащие движущиеся объекты, которые нельзя вставить в тонкий паз. Этот тип оптического модуля с отражателем может использоваться для подсчета прохождения крупных объектов по ленточным конвейерам или объектов, скользящих по подающей трубе.

На втором рисунке выше мы можем видеть модуль, применяемый в качестве счетчика оборотов, который обнаруживает отраженные ИК-сигналы между IRED и фототранзистором через зеркальные отражатели, установленные на противоположной поверхности вращающегося диска.

Расстояние между модулем оптопары и вращающимся диском равно фокусному расстоянию 5 мм пары эмиттерных детекторов.

Отражающие поверхности на колесе могут быть выполнены с использованием металлической краски, ленты или стекла. Эти индивидуализированные модули дискретных оптопар могут также эффективно применяться для подсчет оборотов вала двигателя и измерение оборотов вала двигателя или вращения в минуту и ​​т. д. Вышеупомянутая концепция фото-прерывателей и фоторефлекторов может быть построена с использованием любого опто-детекторного устройства, такого как устройства фотодарлингтона, photoSCR и photoTriac, в соответствии со спецификациями конфигурации выходной цепи.

Сигнализация проникновения в дверь / окно

Вышеупомянутый модуль прерывателя оптоизолятора может также эффективно использоваться в качестве сигнализации вторжения двери или окна, как показано ниже:

Эта схема более эффективна и проста в установке, чем обычная охранная сигнализация с герконовым реле .

Здесь в схеме используются таймеры IC 555 в качестве однократного таймера для подачи сигнала тревоги.

Прорезь воздушного зазора оптоизолятора блокируется рычажным креплением, которое также встроено в окно или дверь.

В случае открытия двери или окна, блокировка в слоте удаляется, и светодиодный ИК-индикатор достигает фототранзисторов и активирует однократный выстрел. моностабильная ступень IC 555 .

IC 555 мгновенно включает пьезозуммер, предупреждающий о вторжении.