OPTOCOUPLERS ИЛИ OPTOISOLATORS са устройства, които позволяват ефективно предаване на DC сигнал и други данни през два етапа на веригата и същевременно поддържат отлично ниво на електрическа изолация между тях.
Оптодвойките стават особено полезни, когато се изисква да се изпраща електрически сигнал през два етапа на веригата, но с изключителна степен на електрическа изолация през етапите.
Устройствата за оптосъединяване работят като преобразуватели на логическо ниво между две вериги, има способността да блокира преноса на шум през интегралните схеми, за изолиране на логически нива от променливотоковото напрежение с високо напрежение и за премахване на контурите на земята.
Оптроните се превръщат в ефективен заместител за релета и за трансформатори за свързване на етапи на цифрови вериги.
Освен това честотната характеристика на Optocoupler се оказва несравнима в аналоговите схеми.
Вътрешна конструкция на оптрона
Вътрешният оптрон съдържа инфрачервен или инфрачервен светодиоден излъчвател (обикновено изграден с помощта на галиев арсенид). Този IR светодиод е оптично свързан към съседно силиконово фотодетекторно устройство, което обикновено е фототранзистор, фотодиод или подобен фоточувствителен елемент). Тези две допълнителни устройства са херметично вградени в непрозрачна светлоустойчива опаковка.
Горната фигура показва разчленен изглед на типичен чип с двойна линия (DIP) с двойна линия (DIP). Когато терминалите, свързани с инфрачервения светодиод, се доставят с подходящо напрежение с преднапредналост, той вътрешно излъчва инфрачервено лъчение с дължина на вълната от 900 до 940 нанометра.
Този IR сигнал пада върху съседния фотодетектор, който обикновено е NPN фототранзистор (имащ чувствителност, настроена на еднаква дължина на вълната), и той незабавно провежда, създавайки непрекъснатост през неговите колекторни / емитерни клеми.
Както се вижда на изображението, IR светодиодът и фототранзисторът са монтирани на съседните рамена на оловна рамка.
Оловната рамка е под формата на щамповане, издълбано от фина проводима ламарина, имащо няколко клона като довършителни работи. Изолираните основи, които са включени за подсилване на устройството, са създадени с помощта на вътрешните клони. Съответните щифтове на DIP са съответно разработени от външните клони.
След като се установят проводимите връзки между корпуса на матрицата и съответните щифтове с оловна рамка, пространството около IR светодиода и фототранзистора се затваря в прозрачна смола, поддържана от IR, която се държи като „светлинна тръба“ или оптичен вълновод между две IR устройства.
Пълният комплект е окончателно формован в светлоустойчива епоксидна смола, образуваща DIP пакета. На финала клемите на щифтовете на оловната рамка са добре огънати надолу.
Оптичен разклонител
Диаграмата по-горе показва диаграмата на пиновете на типичния оптрон в DIP пакет. Устройството е известно още като оптоизолатор, тъй като между двата чипа не е включен ток, а само светлинни сигнали, а също и защото IR излъчвателят и IR детекторът разполагат със 100% електрическа изолация и изолация.
Другите популярни имена, свързани с това устройство, са фотодвойки или фотонезависими изолатори.
Виждаме, че основата на вътрешния IR транзистор е завършена на щифт 6 на IC. Тази база обикновено остава несвързана, тъй като основната цел на устройствата е да свържат двете вериги чрез изолиран вътрешен IR светлинен сигнал.
По същия начин щифтът 3 е отворен или несвързан щифт и не е от значение. Възможно е да трансформирате вътрешния IR фототранзистор във фотодиод, просто чрез късо съединение и свързване на основния щифт 6 с емитерния щифт 4.
Горната функция обаче може да не е достъпна в 4-пинов оптрон или многоканални оптрони.
Характеристики на оптроните
Оптодвойката показва една много полезна характеристика и това е нейната ефективност на свързване на светлината, наречена като коефициент на текущ трансфер или CTR.
Това съотношение се подобрява с идеално съвпадащ спектър на IR светодиоден сигнал със съседния спектър за откриване на фототранзистор.
По този начин CTR се определя като отношение на изходния ток към входния ток при номинално ниво на отклонение на конкретно оптронно устройство. Представено е с процент:
CTR = Iотстъпи/ Iех 100%
Когато спецификацията предлага CTR от 100%, тя се отнася до трансфер на изходен ток от 1 mA за всеки mA ток към IR светодиода. Минималните стойности за CTR могат да показват вариации между 20 и 100% за различните оптрони.
Факторите, които могат да варират в CTR, зависят от моментните спецификации на входното и изходното захранващо напрежение и ток към устройството.
Фигурата по-горе показва характерния график на изходния ток на вътрешния фототранзистор на оптрона (ICB) спрямо входния ток (IF) когато VCB от 10 V е приложена през неговите колекторни / базови щифтове.
Важни спецификации на OptoCoupler
Няколко от основните параметри на спецификацията на оптрона могат да бъдат изучени от дадените по-долу данни:
Изолационно напрежение (Viso) : Определя се като абсолютното максимално променливо напрежение, което може да съществува през входните и изходните етапи на веригата на оптрона, без да причинява вреда на устройството. Стандартните стойности за този параметър могат да спаднат между 500 V и 5 kV RMS.
ТИ СИ: може да се разбере като максимално постояннотоково напрежение, което може да се приложи през пинтовете на фототранзистора на устройството. Обикновено това може да варира между 30 и 70 волта.
Ако : Това е максималният непрекъснат постоянен постоянен ток, който може да тече в IR LED или IНЕТ . Това са стандартните стойности на текущия капацитет за обработка, посочени към изхода на фототранзистора на оптрона, които могат да варират между 40 и 100 mA.
Време за покачване / падане : Този параметър определя логическата скорост на реакцията на оптрона през вътрешния IR светодиод и фототранзистора. Това може да бъде обикновено от 2 до 5 микросекунди както за покачване, така и за спадане. Това ни казва и за честотната лента на оптрона.
Основна конфигурация на оптрона
Фигурата по-горе показва основна схема на оптрона. Размерът на тока, който може да премине през фототранзистора, се определя от приложения ток на отклонение напред на IR светодиода или IНЕТ, въпреки че са напълно разделени.
Докато превключвателят S1 се държи отворен, токът преминава през IНЕТсе инхибира, което означава, че на фототранзистора няма налична IR енергия.
Това прави устройството напълно неактивно, което води до развитие на нулево напрежение през изходния резистор R2.
Когато S1 е затворен, токът може да тече през IНЕТи R1.
Това активира IR светодиода, който започва да излъчва IR сигнали на фототранзистора, което му позволява да се включи, а това от своя страна води до развитие на изходно напрежение през R2.
Тази основна схема на оптрона ще реагира добре на включване / изключване на превключващите входни сигнали.
Ако е необходимо, схемата може да бъде модифицирана, за да работи с аналогови входни сигнали и да генерира съответни аналогови изходни сигнали.
Видове оптрони
Фототранзисторът на всеки оптрон може да се предлага с много различни изходни усилвания и работни характеристики. Обяснената по-долу схема изобразява шест други форми на варианти на оптрони, които имат свои специфични комбинации от IRED и изходен фотодетектор.
Първият вариант по-горе показва двупосочна входна и фототранзисторна изходна оптронна схема, включваща няколко взаимно свързани галиево-арсенидни IRED за свързване на входни променливи сигнали, а също и за защита срещу въвеждане на обратна полярност.
Обикновено този вариант може да показва минимален CTR от 20%.
Следващият тип по-горе илюстрира опто-съединител, чиято мощност е подобрена с усилвател за фото-дарлингтън, базиран на силиций. Това му позволява да произвежда по-висок изходен ток в сравнение с другия нормален оптосъединител.
Поради елемента Дарлингтън на изхода този тип оптрони са в състояние да произвеждат минимум 500% CTR, когато напрежението колектор-емитер е около 30 до 35 волта. Изглежда, че тази величина е около десет пъти по-висока от нормалния оптрон.
Въпреки това, те може да не са толкова бързи, колкото другите нормални устройства и това може да е значителен компромис по време на работа с фотодърлингтънов съединител.
Освен това може да има намалено количество от ефективната честотна лента с около десет коефициента. Индустриалните стандартни версии на фотодънджълтън оптроните са 4N29 до 4N33 и 6N138 и 6N139.
Можете също така да ги получите като двойни и четириканални фотодвойници.
Третата схема по-горе показва оптрон с IRED и MOSFET фотосензор с двупосочен линеен изход. Диапазонът на изолационното напрежение на този вариант може да достигне 2500 волта RMS. Диапазонът на напрежението на пробив може да бъде в рамките на 15 до 30 волта, докато времената на нарастване и спадане са около 15 микросекунди всеки.
Следващият вариант по-горе демонстрира основно SCR или тиристор базиран на опто фотосензор. Тук изходът се контролира чрез SCR. Изолационното напрежение на разклонителите OptoSCR обикновено е около 1000 до 4000 волта RMS. Той се отличава с минимално блокиращо напрежение от 200 до 400 V. Най-високите токове на включване (Ifr) може да бъде около 10 mA.
Изображението по-горе показва оптрон с фототриак. Този тип изходни съединители, базирани на тиристор, обикновено имат напрежение на блокиране напред (VDRM) от 400 V.
Предлагат се и оптрони с характеристика на спусъка на Шмит. Този тип оптрони е показан по-горе, което включва IC базиран оптосензор, притежаващ IC на спусъка на Schmitt, който ще преобразува синусоида или всяка форма на импулсен входен сигнал в правоъгълно изходно напрежение.
Тези базирани на IC фотодетектори устройства всъщност са проектирани да работят като мултивибраторна верига. Изолационните напрежения могат да варират между 2500 и 4000 волта.
Токът на включване обикновено се определя между 1 до 10 mA. Минималното и максималното работно ниво на захранване са между 3 и 26 волта, а максималната скорост на предаване на данни (NRZ) е 1 MHz.
Вериги на приложение
Вътрешното функциониране на оптроните е точно подобно на работата на дискретно настроен IR предавател и приемник.
Контрол на входящия ток
Подобно на всеки друг светодиод, IR светодиодът на оптрона също се нуждае от резистор, който да контролира входния ток до безопасни граници. Този резистор може да бъде свързан по два основни начина с светодиода на оптрона, както е показано по-долу:
Резисторът може да се добави последователно или с анодния извод (a), или с катодния извод (b) на IRED.
AC оптрон
В нашите по-ранни дискусии научихме, че за AC вход се препоръчват AC оптроните. Въпреки това, всеки стандартен оптрон може също така да бъде конфигуриран безопасно с AC вход чрез добавяне на външен диод към IRED входните щифтове, както е доказано в следващата диаграма.
Този дизайн също така гарантира безопасност на устройството срещу случайни условия на обратно напрежение на входното напрежение.
Цифрово или аналогово преобразуване
За да се получи цифрово или аналогово преобразуване на изхода на оптрона, може да се добави резистор последователно с колектора на оптотранзистора или щифта на излъчвателя, показано по-долу:
Преобразуване във фото-транзистор или фото-диод
Както е посочено по-долу, изходният фототранзистор на 6-пинов DIP оптрой може да бъде преобразуван във фотодиоден изход чрез свързване на основния щифт 6 на транзистора на неговия фототранзистор със земя и чрез поддържане на емитера несвързан или късо съединение с пин6 .
Тази конфигурация причинява значително увеличение на времето за нарастване на входния сигнал, но също така води до драстично намаляване на стойността на CTR до 0,2%.
Цифров интерфейс на оптрон
Оптроните могат да бъдат отлични, когато става въпрос за свързване на цифрови сигнали, работещи на различни нива на захранване.
Оптроните могат да се използват за свързване на цифрови интегрални схеми в идентични семейства TTL, ECL или CMOS, както и в тези семейства чипове.
Оптроните също са предпочитани, когато става въпрос за свързване на персонални компютри или микроконтролери с други мейнфрейм компютри или товари като двигатели, релета , соленоид, лампи и др. Показаната по-долу диаграма илюстрира схемата за свързване на оптосъединител с TTL вериги.
Взаимодействие на TTL IC с Optocoupler
Тук можем да видим, че IRED на оптрона е свързан през + 5V и изхода на TTL порта, вместо по обичайния начин, който е между TTL изхода и земята.
Това е така, защото TTL портите са класифицирани да произвеждат много ниски изходни токове (около 400 uA), но са определени за потъване на ток с доста висока скорост (16 mA). Следователно горната връзка позволява оптимален ток на активиране за IRED, когато TTL е нисък. Това обаче означава също, че изходният отговор ще бъде обърнат.
Друг недостатък, който съществува при изхода на TTL порта е, че когато изходът му е HIGH или логика 1, може да доведе до ниво от 2,5 V, което може да не е достатъчно, за да изключи IRED напълно. Той трябва да бъде най-малко 4,5 V или 5 V, за да позволи пълно изключване на IRED.
За да се коригира този проблем, R3 е включен, което гарантира, че IRED се изключва напълно, когато изходът на TTL порта се превърне ВИСОКО дори с 2.5 V.
Изходният щифт на колектора на оптрона може да се види, свързан е между входа и земята на TTL IC. Това е важно, тъй като входът на TTL порта трябва да бъде адекватно заземен най-малко под 0,8 V при 1,6 mA, за да позволи правилна логика 0 на изхода на портата. Трябва да се отбележи, че настройката, показана на горната фигура, позволява неинвертиращ отговор на изхода.
Взаимодействие на CMOS IC с Optocoupler
За разлика от TTL аналога, CMOS IC изходите имат способността да генерират и поглъщат достатъчни токове до много mAs без проблем.
Следователно тези интегрални схеми могат лесно да бъдат свързани с оптрон IRED или в режим на мивка, или в режим на източник, както е показано по-долу.
Независимо коя конфигурация е избрана от входната страна, R2 от изходната страна трябва да бъде достатъчно голяма, за да позволи пълна промяна на изходното напрежение между логическите 0 и 1 състояния на изхода на CMOS порта.
Взаимодействие на Arduino Microcontroller и BJT с Optocoupler
Горната фигура показва как да свържа микроконтролер или Arduino изходен сигнал (5 волта, 5 mA) с относително високо токово натоварване през оптрони и BJT етапи.
С HIGH + 5V логика от Arduino, оптронът IRED и фототранзисторът остават изключени и това позволява Q1, Q2 и товарният двигател да останат включени.
Веднага щом изходът на Arduino се понижи, оптодвойката IRED се активира и включва фототранзистора. Това незабавно основава основното отклонение на Q1, изключвайки Q1, Q2 и двигателя.
Взаимодействие на аналогови сигнали с оптрон
Оптрон може също така ефективно да се използва за свързване на аналогови сигнали през два етапа на веригата чрез определяне на прагов ток през IRED и впоследствие да го модулира с приложения аналогов сигнал.
Следващата фигура показва как тази техника може да бъде приложена за свързване на аналогов аудио сигнал.
Операционният усилвател IC2 е конфигуриран като верига на последовател на напрежение с усилване на единството. IRED на оптосъединителя може да се види, монтиран към веригата за отрицателна обратна връзка.
Този контур кара напрежението в R3 (и следователно тока през IRED) да следва точно или проследява напрежението, приложено към щифт # 3 на операционния усилвател, който е неинвертиращият входен щифт.
Този pin3 на операционния усилвател е настроен на половината захранващо напрежение през R1, R2 потенциална разделителна мрежа. Това позволява на pin3 да бъде модулиран с променливотокови сигнали, които могат да бъдат аудио сигнал и води до вариране на IRED осветлението според този аудио или модулиращия аналогов сигнал.
Токът на покой или токът на празен ток за IRED тока се постига при 1 до 2 mA чрез R3.
От изходната страна на оптрона токът на покой се определя от фототранзистора. Този ток развива напрежение на потенциометъра R4, чиято стойност трябва да бъде регулирана така, че да генерира неподвижен изход, който също е равен на половината захранващо напрежение.
Еквивалентът на модулирания аудио изходен сигнал се извлича през потенциометъра R4 и се отделя чрез C2 за по-нататъшна обработка.
Взаимодействие на триак с оптрон
Оптроните могат да се използват в идеалния случай за създаване на перфектно изолиран съединител в управляваща верига с нисък постоянен ток и верига за управление на триак с висока променлива мощност.
Препоръчително е да поддържате земната страна на входа за постоянен ток свързана към подходяща заземителна линия.
Пълната настройка може да се види на следната схема:
Горният дизайн може да се използва за изолиран управление на мрежови лампи с променлив ток , нагреватели, двигатели и други подобни товари. Тази схема не е настроена с контролирано пресичане на нула, което означава, че входният спусък ще доведе до превключване на симистора във всяка точка на формата на променлив ток.
Тук мрежата, образувана от R2, D1, D2 и C1, създава 10 V потенциална разлика, получена от линейния вход на променлив ток. Това напрежение се използва за задействане на триак през Q1, когато входната страна е включена чрез затваряне на ключа S1. Това означава, че докато S1 е отворен, оптронът е изключен поради нулево базово отклонение за Q1, което поддържа симистора изключен.
В момента, в който S1 е затворен, той активира IRED, който включва Q1. Впоследствие Q1 свързва 10 V DC към портата на симистора, който включва симистора, и в крайна сметка също включва включения товар.
Следващата схема по-горе е проектирана със силициев монолитен превключвател за нулево напрежение, CA3059 / CA3079. Тази схема позволява на симистора да задейства синхронно, т.е. само по време на пресичане на нулево напрежение на формата на вълната на променливия цикъл.
Когато се натисне S1, операционният усилвател реагира на него, само ако цикълът на променлив ток на триак е близо до няколко mV близо до линията на пресичане на нулата. Ако входният спусък е направен, докато AC не е близо до линията на пресичане на нулата, тогава операционният усилвател изчаква, докато формата на вълната достигне нулевото пресичане и едва след това задейства триак чрез положителна логика от неговия pin4.
Тази функция за превключване на нулеви пресичания предпазва свързаните от внезапен огромен токов скок и скок, тъй като включването се извършва на нивото на пресичане на нулата, а не когато AC е на по-високите си пикове.
Това също така елиминира ненужния RF шум и смущения в електропровода. Този превключвател за нулево пресичане на симулатор с опционален триак може да се използва ефективно за създаване на SSR или твърдотелни релета .
Приложение PhotoSCR и PhotoTriacs Optocoupler
Оптодвойките, чийто фотодетектор е под формата на photoSCR и фото-триак изход, обикновено се оценяват с по-нисък изходен ток.
Въпреки това, за разлика от други оптронни устройства, optoTriac или optoSCR се отличават с доста висок капацитет за обработка на импулсен ток (импулсен), който може да бъде много по-висок от техните номинални RMS стойности.
За SCR оптроните спецификацията на импулсния ток може да достигне до 5 ампера, но това може да бъде под формата на 100 микросекундна импулсна ширина и работен цикъл не повече от 1%.
При триактовите оптрони спецификацията за пренапрежение може да бъде 1,2 ампера, които трябва да продължат само за 10 микросекундни импулса с максимален работен цикъл от 10%.
Следващите изображения показват няколко схеми за приложение, използващи триак оптрони.
На първата схема може да се види, че photoTriac е конфигуриран да активира лампата директно от променливотоковата линия. Тук крушката трябва да бъде с номинална стойност под 100 mA RMS и пиково съотношение на пусковия ток по-ниско от 1,2 ампера за безопасна работа на оптрона.
Вторият дизайн показва как оптодвойката photoTriac може да бъде конфигуриран за задействане на подчинен триак и впоследствие активиране на товар според всяка предпочитана мощност. Тази верига се препоръчва да се използва само с резистивни натоварвания като лампи с нажежаема жичка или нагревателни елементи.
Третата фигура по-горе илюстрира как могат да бъдат модифицирани горните две вериги боравене с индуктивни товари като двигатели. Веригата се състои от R2, C1 и R3, които генерират фазово изместване на задвижващата мрежа на портата на Triac.
Това позволява на симистора да премине през правилно задействащо действие. Резисторите R4 и C2 са въведени като снубер мрежа за потискане и контролиране на скокове в резултат на индуктивни обратни ЕМП.
Във всички горепосочени приложения R1 трябва да бъде оразмерен така, че IRED да бъде снабден с поне 20 mA преден ток за правилно задействане на триачния фотодетектор.
Приложение за брояч на скорост или RPM
Горните фигури обясняват няколко уникални персонализирани модула на оптроните, които могат да се използват за приложения за измерване на брояча на оборотите или RPM.
Първата концепция показва персонализиран сглобен съединител-прекъсвач. Виждаме слот под формата на въздушна междина, поставена между IRED и фототранзистора, които са монтирани на отделни кутии, обърнати една срещу друга през слота за въздушната междина.
Обикновено инфрачервеният сигнал може да премине през слота без никакви запушвания, докато модулът се захранва. Знаем, че инфрачервените сигнали могат да бъдат напълно блокирани чрез поставяне на непрозрачен обект по пътя му. В обсъжданото приложение, когато препятствие като спици на колела е разрешено да се движи през слота, причинява прекъсвания на преминаването на IR сигналите.
Впоследствие те се преобразуват в тактова честота през изхода на клемите на фототранзистора. Тази тактова честота на изхода ще варира в зависимост от скоростта на колелото и може да бъде обработена за необходимите измервания. .
Посоченият слот може да има ширина 3 mm (0,12 инча). Фототранзисторът, използван вътре в модула, има фототранзистор, който трябва да бъде зададен с минимален CTR от около 10% в състояние „отворено“.
Модулът всъщност е копие на стандартен оптрон с вграден IR и фототранзистор, единствената разлика е, че тук те са дискретно сглобени в отделни кутии с отделящ ги слот за въздушна междина.
Първият модул по-горе може да се използва за измерване на оборотите или като брояч на оборотите. Всеки път, когато таблото на колелото пресече слота на оптрона, фототранзисторът се изключва, генерирайки единичен брой.
Приложеният втори дизайн показва модул за оптрони, проектиран да реагира на отразени IR сигнали.
IRED и фототранзисторът са инсталирани в отделни отделения в модула, така че обикновено не могат да се 'виждат'. Двете устройства обаче са монтирани по такъв начин, че и двете да споделят общ ъгъл на фокусна точка, който е на разстояние 5 мм (0,2 инча).
Това позволява на модула за прекъсване да открива близки движещи се обекти, които не могат да бъдат поставени в тънък слот. Този тип рефлекторния оптичен модул може да се използва за преброяване на преминаването на големи предмети през конвейерни ленти или предмети, плъзгащи се по подаваща тръба.
На втората фигура по-горе можем да видим, че модулът се прилага като брояч на оборотите, който открива отразените IR сигнали между IRED и фототранзистора през огледалните отражатели, монтирани на противоположната повърхност на въртящия се диск.
Разделението между модула на оптрона и въртящия се диск е равно на 5 mm фокусно разстояние на двойката детектор на емитер.
Отразяващите повърхности на колелото могат да бъдат направени с метална боя или лента или стъкло. Тези персонализирани модули за дискретни оптрони също могат да бъдат ефективно приложени броене на оборотите на вала на двигателя , и обороти на вала на двигателя или въртене на измерване в минута и т.н. По-горе обяснената концепция за фото прекъсвачи и фоторефлектори може да бъде изградена с помощта на всяко оптодетекторно устройство, като например фотодарлингтон, photoSCR и photoTriac устройства, съгласно спецификациите на конфигурацията на изходната верига.
Аларма за проникване на врата / прозорец
Обясненият по-горе модул за прекъсване на оптоизолатора може също така да бъде ефективно като аларма за проникване на врата или прозорец, показано по-долу:
Тази схема е по-ефективна и по-лесна за инсталиране от конвенционалната аларма за проникване тип магнитно тръстиково реле .
Тук веригата използва IC 555 таймери като еднократен таймер за подаване на аларма.
Слотът за въздушната междина на оптоизолатора е блокиран с лостов вид приставка, която също е интегрирана към прозореца или вратата.
В случай, че вратата се отвори или прозорецът се отвори, запушването в слота се премахва и LED IR достига до фототранзисторите и активира изстрела моностабилен IC 555 етап .
IC 555 незабавно задейства пиезо зумера, предупреждаващ за проникването.
Предишен: LDR схеми и принцип на работа Напред: Предупредителна верига за лед за автомобили
