المقارنات الضوئية الترانزستورية. تصميم ومبدأ تشغيل optocouplers

إن optocoupler (المعروف أيضًا باسم optocoupler) هو جهاز إلكتروني مصمم لتحويل الإشارات الكهربائية إلى ضوء ونقلها عبر القنوات الضوئية وإعادة تحويل الإشارة مرة أخرى إلى كهربائية. يتضمن تصميم optocoupler وجود باعث ضوء خاص (في الأجهزة الحديثةولهذا الغرض، يتم استخدام الثنائيات الضوئية؛ وقد تم تجهيز النماذج السابقة بمصابيح متوهجة صغيرة الحجم) وجهاز مسؤول عن تحويل الإشارة الضوئية المستقبلة (الكاشف الضوئي). يتم الجمع بين هذين المكونين باستخدام قناة بصرية وغطاء مشترك.

تصنيف أنواع optocouplers

هناك العديد من الخصائص التي يمكن من خلالها تقسيم نماذج optocoupler إلى عدة مجموعات.

حسب درجة التكامل:

optocoupler الأولي - يتضمن عنصرين أو أكثر متحدين بواسطة مبيت مشترك ؛
الدائرة المتكاملة optocoupler - يتكون التصميم من واحد أو أكثر من optocouplers، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا تجهيزه بعناصر تكميلية (على سبيل المثال، مكبر للصوت).

حسب نوع القناة الضوئية:

قناة بصرية من النوع المفتوح؛
قناة بصرية مغلقة

حسب نوع الكاشف الضوئي:

المقاوم الضوئي (أو ببساطة المقاومات الضوئية) ؛
الثنائي الضوئي الضوئي؛
الترانزستور الضوئي (باستخدام الترانزستور الضوئي ثنائي القطب التقليدي أو المركب)
أو الضوئية الضوئية؛
تعمل أجهزة Optocouplers باستخدام مولد كهروضوئي (بطارية شمسية).

غالبًا ما يتم استكمال تصميم الأجهزة من النوع الأخير بترانزستورات ذات تأثير ميداني ، ويكون المولد نفسه مسؤولاً عن التحكم في البوابة.

يمكن أن يطلق على أدوات التوصيل الضوئي الضوئية أو تلك المجهزة بترانزستورات التأثير الميداني اسم "المرحلات الضوئية" أو "".

الشكل 1: جهاز Optocoupler

تعمل الأجهزة الإلكترونية الضوئية بشكل مختلف اعتمادًا على نوع الاتجاهين الذي تنتمي إليه:

الكهربائية الضوئية.

يعتمد تشغيل الجهاز على مبدأ تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية. علاوة على ذلك، يتم الانتقال من خلال جسم صلب وعمليات التأثير الكهروضوئي الداخلي التي تحدث فيه (معبراً عنها في انبعاث الإلكترونات من المادة تحت تأثير الفوتونات) وتأثير التوهج تحت تأثير المجال الكهربائي.

بصري.

ويعمل الجهاز من خلال التفاعل الدقيق بين المواد الصلبة والإشعاع الكهرومغناطيسي، بالإضافة إلى استخدام أجهزة الليزر والمجسمة والضوئية الكيميائية.

يتم تجميع أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية الضوئية باستخدام إحدى فئتين من العناصر البصرية:

أوبتوكوبلرز.
العناصر البصرية الكمومية.

وهي نماذج لأجهزة الاتجاه الإلكتروني والبصري على التوالي.

يتم تحديد ما إذا كان جهاز optocoupler سينقل الإشارة خطيًا من خلال الخصائص التي يتمتع بها الكاشف الضوئي المدمج في التصميم. يمكن توقع أكبر خطية للإرسال من أدوات التوصيل الضوئية المقاومة. ونتيجة لذلك، فإن عملية تشغيل هذه الأجهزة هي الأكثر ملاءمة. الخطوة السفلية هي النماذج التي تحتوي على الثنائيات الضوئية والترانزستورات ثنائية القطب.

لضمان العمل أجهزة النبضيتم استخدام optocouplers على ثنائي القطب، أو ترانزستورات التأثير الميداني، لأنه ليست هناك حاجة لنقل الإشارات الخطية.

وأخيرًا، يتم تركيب قارنات ضوئية ضوئية لضمان العزل الغلفاني والتشغيل الآمن للجهاز.

طلب

هناك العديد من المجالات التي يكون فيها استخدام optocouplers ضروريًا. يرجع اتساع نطاق التطبيق هذا إلى حقيقة أنها عناصر لها العديد من الخصائص المختلفة ولكل من صفاتها مجال تطبيق منفصل.

تثبيت التأثير الميكانيكي (يتم استخدام الأجهزة المجهزة بقناة بصرية من النوع المفتوح، والتي يمكن إغلاقها (ممارسة تأثير ميكانيكي)، مما يعني أنه يمكن استخدام الجهاز نفسه كجهاز استشعار):
- أجهزة كشف التواجد (الكشف عن وجود/عدم وجود أوراق ورقية في الطابعة)؛
- أجهزة كشف نقطة النهاية (البدء)؛
- عدادات
- عدادات السرعة المنفصلة.
العزلة الجلفانية (استخدام optocouplers يجعل من الممكن نقل إشارة لا تتعلق بالجهد؛ كما أنها توفر التحكم والحماية بدون تلامس)، والتي يمكن توفيرها عن طريق:
- Optocoupler (يستخدم في معظم الحالات كجهاز إرسال معلومات)؛
- Optorelay (مناسب في الغالب للتحكم في دوائر الإشارة والطاقة).

البصريات

يعد استخدام الترانزستور أو optocouplers المدمجة مهمًا بشكل خاص إذا كان من الضروري توفير عزل كلفاني في دائرة إشارة أو دائرة ذات تيار تحكم منخفض. يمكن أن يؤدي دور عنصر التحكم أجهزة أشباه الموصلات ثلاثية الأقطاب، والدوائر التي تتحكم في الإشارات المنفصلة، وكذلك الدوائر ذات التخصص الخاص.

الشكل 2: Optocouplers 5000 Vrms 50mA.

المعلمات وميزات التشغيل للoptocouplers

وبالاعتماد على التصميم الدقيق للجهاز يمكن تحديد قوته الكهربائية. يشير هذا المصطلح إلى قيمة الجهد الذي يحدث بين دوائر الإدخال والإخراج، وبالتالي، فإن الشركات المصنعة للمقارنات الضوئية التي توفر عزلًا كلفانيًا توضح عددًا من النماذج ذات العلب المختلفة:

SSOP؛
Miniflat-الرصاص.

اعتمادًا على نوع السكن، يقوم جهاز optocoupler بتوليد جهد عزل واحد أو آخر. لتهيئة الظروف التي يكون فيها مستوى الجهد الكافي للتسبب في انهيار العزل مرتفعًا بدرجة كافية، يجب تصميم optocoupler بحيث تكون الأجزاء التالية بعيدة بما يكفي عن بعضها البعض:

والمسجل البصري.
الجانب الداخلي والخارجي للقضية.

في بعض الحالات، يمكنك العثور على optocouplers من مجموعة متخصصة، تم تصنيعها وفقًا لـ المعيار الدوليحماية. مستوى القوة الكهربائية لهذه النماذج هو ترتيب أعلى من حيث الحجم.

هناك معلمة مهمة أخرى للمقرنة الضوئية للترانزستور تسمى "معامل النقل الحالي". وبحسب قيمة هذا المعامل، يتم تصنيف الجهاز إلى فئة أو أخرى، وهو ما ينعكس في اسم الطراز.

لا توجد قيود فيما يتعلق بمستوى تردد التشغيل المنخفض للمقرنات الضوئية: فهي تعمل بشكل جيد في دائرة ذات تيار مباشر. ويتم حساب الحد الأعلى لتردد تشغيل هذه الأجهزة المشاركة في نقل الإشارات ذات الأصل الرقمي بمئات الميغاهيرتز. بالنسبة للمقرنات الضوئية من النوع الخطي، يقتصر هذا الرقم على عشرات الميغاهيرتز. بالنسبة للتصميمات الأبطأ، بما في ذلك المصباح المتوهج، فإن الدور الأكثر شيوعًا هو الذي تلعبه مرشحات التردد المنخفض التي تعمل بترددات لا تصل إلى 10 هرتز

الترانزستور optocoupler والضوضاء التي ينتجها

هناك سببان رئيسيان وراء كون تشغيل زوج الترانزستور مصحوبًا بتأثيرات الضوضاء:

للتغلب على السبب الأول، سوف تحتاج إلى تثبيت شاشة خاصة. يتم التخلص من الثاني من خلال وضع التشغيل المحدد بشكل صحيح.

أوبتوريلاي

عادةً ما يتم استخدام مرحل البصريات، والمعروف أيضًا باسم مرحل الحالة الصلبة، لتنظيم تشغيل الدائرة ذات تيارات التحكم الكبيرة. عادةً ما يتم تنفيذ دور عنصر التحكم هنا بواسطة ترانزستورات MOSFET مع اتصالات متتالية؛ ويضمن هذا التكوين القدرة على العمل في ظروف التيار المتناوب.

الشكل 3: Optorelay KR293 KP2V

تصنيف أنواع المرحلات الضوئية

يتم تعريف ثلاثة أنواع من الطبولوجيا للمرحلات الضوئية:

مفتوحة عادةمن المفترض أن دائرة التحكم لن تغلق إلا عندما يتم تطبيق جهد التحكم على أطراف الصمام الثنائي للضوء.
مغلقة عادةمن المفترض أن دائرة التحكم لن تفتح إلا عندما يتم تطبيق جهد التحكم على أطراف الصمام الثنائي للضوء.
التبديلتتضمن البنية الثالثة مجموعة من القنوات المغلقة عادة والمفتوحة عادة.

يتمتع المرحل البصري، مثل optocoupler، بخاصية القوة الكهربائية.

أنواع المرحلات الضوئية

نماذج من النوع القياسي؛
نماذج ذات مقاومة منخفضة.
موديلات ذات نسبة CxR منخفضة؛
نماذج ذات جهد انحياز منخفض؛
نماذج ذات جهد عزل عالي.

مجالات تطبيق المرحلات الضوئية

مودم؛
جهاز قياس
واجهة مع المحرك.
بدالات هاتفية آلية؛
عداد الكهرباء والحرارة والغاز.
تبديل الإشارة.

اكتب تعليقات وإضافات إلى المقال، ربما فاتني شيء ما. ألقِ نظرة، سأكون سعيدًا إذا وجدت شيئًا آخر مفيدًا لي.

ما هو optocoupler

جهاز optocoupler عبارة عن جهاز إلكتروني ضوئي، الأجزاء الوظيفية الرئيسية منه هي مصدر الضوء وكاشف ضوئي، غير متصلين ببعضهما البعض بشكل جلفاني، ولكن يقع داخل غلاف مغلق مشترك. يعتمد مبدأ تشغيل optocoupler على حقيقة أن الإشارة الكهربائية الموردة إليها تسبب توهجًا على جانب الإرسال، وفي شكل ضوء يتم استقبال الإشارة بواسطة الكاشف الضوئي، مما يؤدي إلى بدء إشارة كهربائية على الجانب المستقبل. أي أن الإشارة يتم إرسالها واستقبالها من خلال الاتصال البصري داخل المكون الإلكتروني.

Optocoupler - الأكثر مجموعة متنوعة بسيطة optocoupler. يتكون فقط من أجزاء الإرسال والاستقبال. النوع الأكثر تعقيدًا من optocoupler هو الدائرة الإلكترونية الضوئية الدقيقة، والتي تحتوي على العديد من optocouplers المتصلة بجهاز واحد أو أكثر من أجهزة المطابقة أو التضخيم.

وهكذا، فإن optocoupler هو مكون الكتروني، توفير نقل الإشارات الضوئية في الدائرة دون اتصال كلفاني بين مصدر الإشارة ومستقبلها، حيث من المعروف أن الفوتونات محايدة كهربائيا.

هيكل وخصائص optocouplers

تستخدم Optocouplers أجهزة كشف ضوئية حساسة في المناطق القريبة من الأشعة تحت الحمراء والمرئية، حيث يتميز هذا الجزء من الطيف بمصادر إشعاع مكثف يمكن أن تعمل ككاشفات ضوئية دون تبريد. تعد أجهزة الكشف الضوئي ذات الوصلات p-n (الثنائيات والترانزستورات) المعتمدة على السيليكون عالمية، وتقترب منطقة حساسيتها الطيفية القصوى من 0.8 ميكرون.

يتميز optocoupler في المقام الأول بمعامل النقل الحالي CTR، أي نسبة تيارات إشارة الإدخال والإخراج. المعلمة التالية هي سرعة إرسال الإشارة، وهي في الأساس تردد القطع fc للمقرنة الضوئية، المرتبطة بأوقات الارتفاع tr وأوقات القطع tf للنبضات المرسلة. أخيرًا، المعلمات التي تميز optocoupler من وجهة نظر العزلة الكلفانية: مقاومة العزل Riso، أقصى جهد Viso وتمرير السعة Cf.

تم تصميم جهاز الإدخال المضمن في هيكل optocoupler للإنشاء الظروف المثلىتشغيل الباعث (LED)، لتحويل نقطة التشغيل إلى المنطقة الخطية لخاصية الجهد الحالي.

يتمتع جهاز الإدخال بالسرعة الكافية ومجموعة واسعة من تيارات الإدخال، مما يضمن نقلًا موثوقًا للمعلومات حتى عند التيار المنخفض (العتبة). يوجد الوسط البصري داخل المبيت، والذي من خلاله ينتقل الضوء من الباعث إلى الكاشف الضوئي.

في أجهزة optocouplers ذات القناة الضوئية الخاضعة للتحكم، يوجد جهاز تحكم إضافي يمكن من خلاله التأثير على خصائص الوسط البصري باستخدام الوسائل الكهربائية أو المغناطيسية. وعلى جانب الكاشف الضوئي، تتم استعادة الإشارة، وتتحول بسرعة من الضوئية إلى الكهربائية.

تم تصميم جهاز الإخراج الموجود على جانب الكاشف الضوئي (على سبيل المثال، الترانزستور الضوئي المضمن في الدائرة) لتحويل الإشارة إلى شكل كهربائي قياسي، وهو مناسب لمزيد من المعالجة في الكتل التالية للمقرنة الضوئية. غالبًا لا يحتوي جهاز optocoupler على أجهزة إدخال وإخراج، لذا فهو يتطلب دوائر خارجية لإنشاء عملية تشغيل عادية في دائرة جهاز معين.

تطبيق optocouplers

تستخدم Optocouplers على نطاق واسع في وحدات المعدات المختلفة، حيث توجد دوائر منخفضة الجهد وعالية الجهد، ويتم فصل دوائر التحكم عن دوائر الطاقة: التحكم في الترياتك والثايرستور القوية، ودوائر التتابع، وما إلى ذلك.

في دوائر الهندسة الراديوية الخاصة بالتعديل والتحكم التلقائي في الكسب، يتم استخدام الثنائيات الضوئية والصمام الثنائي والترانزستور والمقاوم. من خلال التعرض من خلال القناة البصرية، يتم ضبط الدائرة دون تلامس وإحضارها إلى وضع التشغيل الأمثل.

تعد Optocouplers متعددة الاستخدامات لدرجة أنه حتى مجرد عناصر العزل الجلفاني والتحكم غير التلامسي، يتم استخدامها في مجموعة متنوعة من الصناعات وفي العديد من الوظائف الفريدة بحيث يستحيل إدراجها جميعًا.

وهنا عدد قليل منهم: تكنولوجيا الكمبيوتر، تكنولوجيا الاتصالات، الأتمتة، معدات الراديو، أنظمة التحكم الآلي، أدوات القياسوأنظمة التحكم والتنظيم والمعدات الطبية وأجهزة العرض المرئي وغير ذلك الكثير.

مزايا optocouplers

تطبيق optocouplers على لوحات الدوائر المطبوعةيتيح لك تحقيق عزل كلفاني مثالي عندما تكون متطلبات المقاومة لعزل دوائر الإدخال والإخراج عالية الجهد ومنخفضة الجهد مرتفعة للغاية. على سبيل المثال، يبلغ الجهد بين دارات الإرسال والاستقبال لجهاز optocoupler PC817 الشهير 5000 فولت. بالإضافة إلى ذلك، وبمساعدة العزل البصري، يتم تحقيق سعة إنتاجية منخفضة للغاية، في حدود 1 pF.

بمساعدة optocouplers، يتم تنفيذ التحكم في عدم الاتصال بسهولة شديدة، مع الحفاظ على نطاق لحلول التصميم الفريدة فيما يتعلق بدوائر التحكم المباشر. ومن المهم أيضًا هنا ألا يكون هناك أي رد فعل على الإطلاق من المتلقي تجاه المصدر، أي أن المعلومات تنتقل في اتجاه واحد.

يزيل النطاق الترددي الأوسع للمقرنة الضوئية القيود التي تفرضها الترددات المنخفضة: بمساعدة الضوء، يمكنك إرسال إما إشارة ثابتة أو إشارة نبضية، وبحواف شديدة الانحدار، وهو أمر مستحيل تحقيقه بشكل أساسي باستخدام محولات النبض. إن قناة الاتصال داخل optocoupler محصنة تمامًا ضد تأثيرات المجالات الكهرومغناطيسية، وبالتالي فإن الإشارة محمية من التداخل والتداخل. وأخيرًا، تتوافق أجهزة optocouplers تمامًا مع المكونات الإلكترونية الأخرى.

إن optocoupler عبارة عن جهاز شبه موصل إلكتروني ضوئي يحتوي على مصدر ومستقبل للإشعاع البصري، وهما مترابطان بصريًا وهيكليًا، ومصممان لإجراء تحويلات وظيفية مختلفة للإشارات الكهربائية والضوئية.

يمكن أن تكون مصادر الإشعاع عبارة عن مصابيح متوهجة، ومصابيح تفريغ الغاز، وبواعث لأشباه الموصلات، ومصابيح LED. في الدوائر الإلكترونية الضوئية المتكاملة، يكون مصدر الإشعاع البصري عبارة عن مصباح LED للحقن، والذي يوفر قارنات ضوئية عالية الأداء. يمكن أن تكون أجهزة الكشف الضوئي: مقاومات ضوئية، وثنائيات ضوئية، وترانزستورات ضوئية، وثيرستورات ضوئية. إن الجمع بين مصباح LED وأحد أجهزة الكشف الضوئي هذه في عنصر هيكلي واحد جعل من الممكن إنشاء عدد من أدوات التوصيل الضوئية ذات خصائص مختلفة: المقاوم، والصمام الثنائي، والترانزستور، والثايرستور (الشكل 5.19). رابط الاتصال بين مصدر الإشعاع والكاشف الضوئي هو وسيلة بصرية سلبية أو نشطة تؤدي وظائف دليل الضوء.

الشكل 8.18. أنواع optocouplers: المقاوم (أ)، الصمام الثنائي (ب)، الترانزستور (ج)، الثايرستور (د)،

يعتمد مبدأ تشغيل optocoupler على تحويل الطاقة المزدوج. في مصادر الإشعاع، يتم تحويل طاقة الإشارة الكهربائية إلى إشعاع بصري، وفي أجهزة الكشف الضوئي، يتم تحويل الإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية (تيار أو جهد). optocoupler هو جهاز مزود بإشارات الإدخال والإخراج الكهربائية.

يوفر دليل الضوء عزلًا كلفانيًا لدوائر الإدخال والإخراج (يمكن أن تصل مقاومة العزل إلى 10 12 ... 10 14 أوم، وسعة الاتصال 10 -2 pF) ونقل إشارة أحادي الاتجاه من مصدر الإشعاع إلى الكاشف الضوئي، والذي نموذجي لخطوط الاتصال البصرية.

مزايا optocouplers هي:

1. عدم وجود اتصال كهربائي بين المدخلات والمخرجات، وكذلك التغذية الراجعة بين الكاشف الضوئي ومصدر الإشعاع.

2. عرض نطاق واسع من الاهتزازات الكهربائية مما يسمح لك بنقل الإشارات في نطاق التردد من 0 إلى 10 14 هرتز.

3. مناعة القناة الضوئية العالية للضوضاء والتي تعود إلى مناعة الفوتونات لتأثيرات المجالات الكهرومغناطيسية الخارجية.

4. سهولة الجمع بين optocouplers والدوائر الدقيقة في أجهزة الاتصالات المختلفة.

يتم استخدام Optocouplers على النحو التالي:

أ) عنصر العزل الكهربائي الرقمي و أجهزة النبضوكذلك الأجهزة التناظرية.

ب) التحكم بدون تلامس في مصادر الطاقة ذات الجهد العالي في أنظمة التشغيل الآلي المختلفة.

ج) مفتاح لتوليد وتبديل النبضات القوية، وكذلك لربط أجهزة الاستشعار بأجهزة ووحدات القياس.

تعتبر optocouplers المقاومة هي الأكثر تنوعًا. يمكن استخدامها في الأجهزة التناظرية والمفتاحية، ولها نطاق واسع من اختلافات المقاومة (عشرات إلى مئات المومات في الحالات غير المضاءة ومئات الأوم في الحالات المضيئة)، ونطاق تردد منخفض. في optocoupler المقاوم، يتم استخدام مصابيح LED التي تعمل في نطاق بصري واسع كبواعث. للحصول على معلمات الطاقة، من الضروري مطابقة المرسل والمستقبل من حيث الخصائص الطيفية.

يتم وصف optocouplers المقاوم بواسطة المعلمات التالية لدوائر الإدخال والإخراج:

1. الحد الأقصى لتيار الإدخال Iin. الحد الأقصى هو الحد الأقصى لقيمة متوسط الإدخال أو التيار المستمر.

2. جهد الإدخال Uin هو جهد ثابت أو فعال يتم تطبيقه على أطراف إدخال الباعث عند تيار دخل التشغيل.

3. إخراج التبديل الحالي. com هو تيار الإخراج المقنن الذي يتحكم فيه الحمل.

4. الحد الأقصى لتيار الإخراج هو القيمة الحالية التي يعمل بها optocoupler المقاوم لفترة طويلة.

5. الحد الأقصى لجهد تحويل الإخراج هو الحد الأقصى لقيمة الجهد عند إخراج optocoupler.

6. أقصى تبديد للطاقة عند مخرج optocoupler، مما يضمن تشغيل الجهاز على المدى الطويل.

7. إخراج مقاومة الضوء والظلام.

8. سعة المرور C pr - بين مدخلات ومخرجات optocoupler.

9. مقاومة العزل R من هي المقاومة بين مدخلات ومخرجات optocoupler.

10. الحد الأقصى لجهد العزل هو الحد الأقصى للجهد الذي يتم عنده الحفاظ على قوة وموثوقية المنتج المطبق بين مدخلات ومخرجات الحاوية الضوئية.

أمثلة على optocouplers المقاوم يمكن أن تكون: OEP-16، OEP-1، OEP-2، OEP-9.

يتم استخدام optocouplers ديود كمحول ويمكنه تبديل التيار بتردد 10 6 ... 10 7 هرتز. تصل مقاومة الظلام إلى 10 8 ... 10 10 أوم، وعند إضاءتها تنخفض إلى مئات الأوم. المقاومة بين دوائر الإدخال والإخراج هي 10 13 ... 10 15 أوم. يُستخدم مصباح LED الذي يعمل في منطقة الأشعة تحت الحمراء كباعث في الثنائيات الضوئية ذات الصمام الثنائي، ويستخدم صمام ثنائي ضوئي من السيليكون ككاشف ضوئي. يتمتع LED بخاصية طيفية قصوى عند طول موجة يبلغ حوالي 1 ميكرومتر.

يتم وصف optocouplers ديود بواسطة المعلمات التالية لدوائر الإدخال والإخراج:

1. يتم تحديد جهد الإدخال U عند تيار إدخال معين يتدفق عبر LED ؛

2. أنا أدخل. الحد الأقصى هو الحد الأقصى لقيمة التيار المباشر أو التيار النبضي الذي يتم عنده ضمان التشغيل الموثوق به على المدى الطويل للمقرنة الضوئية؛

3. أنت في. وصول. الحد الأقصى هو الحد الأقصى لجهد الإدخال العكسي المطبق على مدخل optocoupler، والذي يضمن التشغيل الموثوق به على المدى الطويل لـ optocoupler؛

4. أنا t - التيار الناتج (الحراري) للثنائي الضوئي في غياب الإدخال (التدفق الضوئي) ؛

5. خرجت. أوبر - يوم عطلة التيار العكسيعند جهد إخراج معين ولا يوجد تيار دخل.

6. أنت خارج. الأعلى. rev - الحد الأقصى للجهد العكسي لدائرة الخرج التي يعمل فيها الثنائي الضوئي بشكل موثوق ولفترة طويلة ؛

7. t nr - وقت صعود إشارة الخرج، حيث يتغير اتساع جهد الخرج من 0.1 إلى 0.5 U. الأعلى؛

8.t sp - وقت اضمحلال إشارة الخرج. خلال هذه الفترة الزمنية، ينخفض جهد الخرج من 0.9 إلى 0.5 من قيمته القصوى.

من أمثلة أدوات التوصيل الضوئي ذات الصمام الثنائي AOD101A...AOD101D، AOD107، ZOD107A، إلخ.

تتمتع أدوات التوصيل الضوئي للترانزستور بحساسية أكبر من أدوات التوصيل الضوئي ذات الصمام الثنائي. السرعة لا تتجاوز 10 ـ 5 هرتز. يستخدم جهاز optocoupler الترانزستور مصباح LED بطول موجة إشعاع يبلغ حوالي 1 ميكرومتر، ويتم استخدام ترانزستور ضوئي من السيليكون من النوع n-p-n ككاشف ضوئي.

إذا لم يكن هناك إشعاع بصري، فإن تيار عكسي صغير (تيار مظلم) يتدفق دائمًا في دائرة المجمع الخاصة بالترانزستور الضوئي، ويعتمد حجمه بشدة على درجة الحرارة. لتقليل التيار المظلم، يتم توصيل مقاومة خارجية تبلغ حوالي 0.1...1.0 ميجا أوم بين طرفي القاعدة والباعث.

يتم وصف optocoupler الترانزستور بواسطة معلمات دوائر الإدخال والإخراج. مع الأخذ في الاعتبار أنه يتم استخدام مصابيح LED متطابقة تقريبًا في الثنائيات الضوئية والصمام الثنائي والترانزستور، فإن معلمات الإدخال الخاصة بالمقرونات الضوئية الترانزستورية هي نفس معلمات الثنائيات الضوئية ذات الصمام الثنائي.

يتم وصف optocoupler الترانزستور بواسطة المعلمات التالية لدائرة الإخراج:

1. U Rest - جهد الخرج المتبقي عند خرج optocoupler عندما يكون الترانزستور الضوئي مفتوحًا ؛

2. I ut.out - يتدفق التيار في دائرة الخرج عند إغلاق الترانزستور الضوئي (تيار التسرب) ؛

3. ف متوسط. الحد الأقصى - متوسط الحد الأقصى لتبديد الطاقة الذي يحافظ فيه جهاز optocoupler على التشغيل الموثوق به على المدى الطويل؛

4. خرجت. الحد الأقصى - الحد الأقصى لتيار الإخراج للترانزستور الضوئي أثناء تشغيله الموثوق ؛

5. t nr - وقت صعود إشارة الخرج، حيث يتغير جهد الخرج من 0.9 إلى 0.1 من قيمته القصوى.

6. t sp - وقت اضمحلال جهد الخرج، حيث يزيد جهد الخرج من 0.1 إلى 0.9 من القيمة القصوى.

7. t - on time هو الوقت من لحظة تطبيق إشارة الإدخال حتى اللحظة التي تصل فيها إشارة الإدخال إلى 0.1 U إدخال. الأعلى. أو هذا هو وقت القطيع - t sp من جهد الخرج إلى مستوى 0.1 U خارج. الأعلى.

8. t off - off time هو الوقت الذي تنخفض فيه إشارة الإدخال إلى 0.9 U كحد أقصى. أو هو t nr - وقت ارتفاع جهد الخرج إلى 0.9 U كحد أقصى.

9. الحد الأقصى لجهد العزل U من - الجهد الذي يمكن تطبيقه بين الإدخال والإخراج والذي يتم عنده الحفاظ على قوة العزل الكهربائي للمقرنة الضوئية.

أمثلة على optocouplers الترانزستور هي: AOT123A، ZOT123B، AOT110 (A، B، C)، ZOT123A، AOT123T، الخ.

يتم استخدام optocouplers الثايرستور في الأوضاع الرئيسية لتوليد وتبديل نبضات قوية. الباعث في optocoupler الثايرستور هو LED، والمستقبل هو photothyristor السيليكون. يظل الثايرستور الضوئي قيد التشغيل حتى عند توقف إشعاع LED. فيما يتعلق بهذا، يمكن توفير إشارة التحكم الضوئية من LED فقط للوقت اللازم لإلغاء قفل الثايرستور. كل هذا يجعل من الممكن تقليل الطاقة اللازمة للتحكم في جهاز optocoupler الضوئي. لإيقاف الثايرستور الضوئي، يجب إزالة الجهد الخارجي. كل هذا يميز optocoupler الثايرستور عن الترانزستور. يتم وصف optocoupler الثايرستور بالمعلمات التالية:

1. تشغيل التيار I (تيار استجابة الإدخال I الإدخال، الزناد) - تيار أمامي ثابت للمقرنة الضوئية، والذي ينقل optocoupler إلى الحالة المفتوحة في وضع إدخال معين؛

2. نبض التبديل الحالي على. إنها سعة نبض تيار الإدخال لمدة معينة، والتي تحول المحولات الضوئية إلى الحالة المفتوحة؛

3. U في - جهد الإدخال عند مدخل LED عند تيار تبديل الإدخال المحدد ؛

4. أنا أدخل - أدخل العاصمةقاد؛

5. أنا أدخل. ايم - مدخل تيار نبضيأوبتوكوبلرز.

6. خرجت. مغلق - تيار الخرج في الحالة المغلقة ، والذي يتدفق في دائرة الخرج عندما يكون الثايرستور الضوئي مغلقًا وفي وضع معين ؛

7. أخرج. العودة - إخراج التيار العكسي المتدفق عند إغلاق الثايرستور الضوئي ؛

8. U ost - جهد الخرج على الثايرستور الضوئي المفتوح ؛

9. أخرج. ud - التيار المستمر - أصغر تيار للثايرستور الضوئي في الحالة المفتوحة ؛

10. الحد الأدنى لإخراج U - الحد الأدنى لجهد الخرج الثابت على الثايرستور الضوئي الذي يتم فيه تشغيل optocoupler عند إشارة دخل معينة ؛

11. U الناتج obr - الحد الأقصى لجهد الخرج الذي يتم عنده ضمان الموثوقية المحددة ؛

12. t - في الوقت المحدد هو الفاصل الزمني بين نبض تيار الإدخال عند المستوى 0.5 وتيار الخرج عند المستوى 0.9 من القيمة القصوى ؛

13. t off - وقت إيقاف التشغيل هو الفترة الزمنية من نهاية تيار الخرج إلى بداية تيار الخرج التالي، والذي تحت تأثيره لا يتحول الثايرستور الضوئي إلى الحالة المفتوحة.

14. C خارج - سعة الخرج عند خرج الثايرستور optocoupler في الحالة المغلقة.

أمثلة على optocouplers الثايرستور: AOU103A، ZOU103A، AOU103V، ZOU103B.

Optocouplers هي تلك الأجهزة الإلكترونية الضوئية التي يوجد بها مصدر وجهاز استقبال للإشعاع (باعث الضوء وكاشف ضوئي) مع نوع أو آخر من التوصيلات الضوئية والكهربائية بينهما، متصلة هيكليًا ببعضها البعض.

مبدأ التشغيلتعتمد أجهزة optocouplers من أي نوع على ما يلي. في الباعث، يتم تحويل طاقة الإشارة الكهربائية إلى ضوء؛ وفي الكاشف الضوئي، على العكس من ذلك، تسبب الإشارة الضوئية استجابة كهربائية.

في الممارسة العملية، أصبحت فقط Optocouplers واسعة الانتشار، والتي لها اتصال بصري مباشر من الباعث إلى الكاشف الضوئي، وكقاعدة عامة، يتم استبعاد جميع أنواع الاتصالات الكهربائية بين هذه العناصر.

وفقًا لدرجة تعقيد المخطط الهيكلي، يتم تمييز مجموعتين من الأجهزة بين منتجات optocoupler. إن optocoupler (ويسمى أيضًا "optocoupler الأولي") عبارة عن جهاز شبه موصل إلكتروني ضوئي يتكون من عناصر انبعاث واستقبال ضوئي، يوجد بينها اتصال بصري يوفر العزل الكهربائيبين الإدخال والإخراج. الدائرة المتكاملة الإلكترونية الضوئية عبارة عن دائرة كهربائية دقيقة تتكون من واحد أو أكثر من أدوات التوصيل الضوئي وواحد أو أكثر من أجهزة المطابقة أو التضخيم المتصلة كهربائيًا بها.

وبالتالي، في الدائرة الإلكترونية، يؤدي هذا الجهاز وظيفة عنصر الاتصال، حيث يتم تنفيذ العزل الكهربائي (الكلفاني) للمدخلات والمخرجات.

في مخطط الكتلة في الشكل. يتم استخدام جهاز إدخال 1 لتحسين وضع تشغيل الباعث (على سبيل المثال، انحياز مؤشر LED إلى القسم الخطي لخاصية الواط أمبير) وتحويل (تضخيم) الإشارة الخارجية. يجب أن يكون لديك كتلة الإدخال كفاءة عاليةالتحويل ، السرعة العالية ، النطاق الديناميكي الواسع لتيارات الإدخال المسموح بها (للأنظمة الخطية) ، القيمة المنخفضة لتيار الإدخال "العتبة" ، مما يضمن نقلًا موثوقًا للمعلومات عبر الدائرة.

الشكل 1. رسم تخطيطي معمم للمقرنة الضوئية

الغرض من الوسط البصري هو نقل طاقة الإشارة الضوئية من الباعث إلى الكاشف الضوئي، وأيضًا، في كثير من الحالات، ضمان السلامة الميكانيكية للهيكل.

القدرة على التحكم الأساسية الخصائص البصريةالبيئة، على سبيل المثال، من خلال استخدام التأثيرات الكهروضوئية أو المغناطيسية الضوئية، تنعكس من خلال إدخال جهاز تحكم في الدائرة. في هذه الحالة، نحصل على optocoupler مع قناة بصرية يمكن التحكم فيها، مختلفة وظيفيًا عن ". optocoupler التقليدية: يمكن تغيير إشارة الخرج عند دوائر الإدخال والتحكم.

في الكاشف الضوئي، تتم "استعادة" إشارة المعلومات من الضوئية إلى الكهربائية؛ وفي نفس الوقت يسعون جاهدين للحصول عليه حساسية عاليةوالأداء العالي.

وأخيرًا، تم تصميم جهاز الإخراج لتحويل إشارة الكاشف الضوئي إلى نموذج قياسي ملائم للتأثير على الشلالات اللاحقة للمقرنة الضوئية. إحدى الوظائف الإلزامية تقريبًا لجهاز الإخراج هي تضخيم الإشارة، نظرًا لأن الخسائر بعد التحويل المزدوج كبيرة جدًا. غالبًا ما يتم تنفيذ وظيفة التضخيم بواسطة الكاشف الضوئي نفسه (على سبيل المثال، الترانزستور الضوئي).

المخططات الكهربائيةوخصائص الإخراج للمقارنات الضوئية مع المقاوم الضوئي (أ) والصمام الضوئي (ب) والثايرستور الضوئي (ج): 1 - الصمام الثنائي الباعث للضوء لأشباه الموصلات ؛ 2 - المقاوم الضوئي. 3 - الثنائي الضوئي. 4- الثايرستور الضوئي. شو أنا- الجهد والتيار في دائرة خرج optocoupler. تتوافق المنحنيات المتقطعة مع غياب التيار في دائرة إدخال optocoupler، وتتوافق المنحنيات الصلبة مع قيمتين مختلفتين لتيارات الإدخال.

1. مقدمة. 2

1.1. التعريفات الأساسية. 2

1.2. السمات المميزة optocouplers 2

1.3. مخطط الكتلة المعمم. 3

1.4. طلب. 4

1.5. قصة. 5

2. الأسس المادية لتكنولوجيا optocoupler. 6

2.1. قاعدة العنصر وتصميم optocouplers. 6

2.2. فيزياء تحويل الطاقة في optocoupler ديود. 7

3. معلمات وخصائص optocouplers والإلكترونيات الضوئية الدوائر المتكاملة. 13

3.1. تصنيف معلمات منتجات optocoupler. 13

3.2. الثنائيات الضوئية. 14

3.3. الترانزستور والثايرستور optocouplers. 15

3.4. المقاومات الضوئية. 15

3.5. optocouplers التفاضلية. 15

3.6. الدوائر الإلكترونية الضوئية الدقيقة. 16

4. مجالات تطبيق optocouplers والدوائر الدقيقة optocoupler. 16

4.1. نقل المعلومات. 17

4.2. استقبال وعرض المعلومات. 18

4.3. السيطرة على العمليات الكهربائية. 18

4.4. استبدال المنتجات الكهروميكانيكية. 19

4.5. وظائف الطاقة. 19

5. الأدب. 19

1. المقدمة

1.1 التعاريف الأساسية.

يعتمد مبدأ تشغيل optocouplers من أي نوع على ما يلي. في الباعث، يتم تحويل طاقة الإشارة الكهربائية إلى ضوء؛ وفي الكاشف الضوئي، على العكس من ذلك، تسبب الإشارة الضوئية استجابة كهربائية.

وفقًا لدرجة تعقيد المخطط الهيكلي، يتم تمييز مجموعتين من الأجهزة بين منتجات optocoupler. إن optocoupler (ويسمى أيضًا "optocoupler الأولي") عبارة عن جهاز أشباه الموصلات الإلكترونية الضوئية يتكون من عناصر انبعاث واستقبال ضوئي، يوجد بينها اتصال بصري يوفر عزلًا كهربائيًا بين الإدخال والإخراج. الدائرة المتكاملة الإلكترونية الضوئية عبارة عن دائرة كهربائية دقيقة تتكون من واحد أو أكثر من أدوات التوصيل الضوئي وواحد أو أكثر من أجهزة المطابقة أو التضخيم المتصلة كهربائيًا بها.

وهكذا، في الدائرة الإلكترونية، يؤدي هذا الجهاز وظيفة عنصر الاتصال، حيث يتم في نفس الوقت إجراء عزل كهربائي (كلفاني) للمدخلات والمخرجات.

1.2 السمات المميزة للمقرنات الضوئية.

تعتمد مزايا هذه الأجهزة على المبدأ الإلكتروني البصري العام المتمثل في استخدام الفوتونات المحايدة كهربائيًا لنقل المعلومات. أهمها ما يلي:

إمكانية توفير العزل الكهربائي (الكلفاني) المثالي بين المدخلات والمخرجات؛ بالنسبة للمقرنات الضوئية، لا توجد قيود مادية أو تصميمية أساسية على تحقيقها بشكل تعسفي الجهد العاليوفصل المقاومة والسعة الإنتاجية الصغيرة بشكل تعسفي؛

القدرة على تنفيذ التحكم البصري بدون تلامس للأشياء الإلكترونية وما ينتج عن ذلك من تنوع ومرونة في حلول التصميم لدوائر التحكم؛

نشر المعلومات في اتجاه واحد على طول القناة الضوئية، دون أي ردود فعل من جهاز الاستقبال إلى جهاز الإرسال؛

عرض نطاق ترددي واسع للمقرنة الضوئية، لا توجد قيود على الترددات المنخفضة (وهو أمر نموذجي محولات النبض); القدرة على إرسال إشارة نبضية ومكون ثابت عبر دائرة optocoupler؛

القدرة على التحكم في إشارة خرج optocoupler من خلال التأثير (بما في ذلك غير كهربائيًا) على مادة القناة الضوئية وما ينتج عن ذلك من إمكانية إنشاء مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار، بالإضافة إلى مجموعة متنوعة من الأجهزة لنقل المعلومات؛

القدرة على إنشاء أجهزة إلكترونية دقيقة وظيفية باستخدام أجهزة كشف ضوئية، تتغير خصائصها عند إضاءتها وفقًا لقانون معين معقد؛

إن مناعة قنوات الاتصال الضوئية لتأثيرات المجالات الكهرومغناطيسية، والتي في حالة المحولات الضوئية "الطويلة" (مع دليل ضوئي ممتد من الألياف الضوئية بين الباعث والمستقبل) تجعلها محمية من التداخل وتسرب المعلومات، وتزيل أيضًا التدخل المتبادل

التوافق المادي والتصميمي والتكنولوجي مع أجهزة أشباه الموصلات والأجهزة الإلكترونية الدقيقة الأخرى.

لدى Optocouplers أيضًا عيوب معينة:

استهلاك كبير للطاقة بسبب الحاجة إلى التحويل المزدوج للطاقة (كهرباء – ضوء – كهرباء) وانخفاض كفاءة هذه التحولات؛

زيادة حساسية المعلمات والخصائص لتأثيرات درجات الحرارة المرتفعة والإشعاع النووي المخترق؛

تدهور مؤقت ملحوظ أكثر أو أقل (تدهور) في المعلمات؛

نسبياً مستوى عالالضوضاء الذاتية، الناجمة، مثل العيبين السابقين، عن خصوصيات فيزياء المصابيح؛

تعقيد تنفيذ ردود الفعل الناجمة عن العزل الكهربائي لدوائر الإدخال والإخراج؛

النقص الهيكلي والتكنولوجي المرتبط باستخدام التكنولوجيا الهجينة غير المستوية (مع الحاجة إلى الجمع بين عدة بلورات فردية من أشباه الموصلات المختلفة الموجودة في مستويات مختلفة في جهاز واحد).

تم التخلص جزئيًا من العيوب المذكورة في أجهزة optocouplers مع تحسن المواد والتكنولوجيا وتصميم الدوائر، ولكنها مع ذلك ستظل ذات طبيعة أساسية إلى حد ما لفترة طويلة. ومع ذلك، فإن مزاياها عالية جدًا لدرجة أنها تضمن أن تكون أجهزة optocouplers غير قادرة على المنافسة بين الأجهزة الإلكترونية الدقيقة الأخرى.

1.3 مخطط الكتلة المعمم (الشكل 1.1).

الشكل 1.1. مخطط كتلة معمم لـ optocoupler.

كعنصر اقتران، يتميز optocoupler بمعامل النقل الخاص به ك ط، والتي تحددها نسبة إشارات الإخراج والإدخال والحد الأقصى لمعدل نقل المعلومات ف. بدلا من ذلك تقريبا فقياس مدة صعود وهبوط النبضات المرسلة ر نار (SP)أو تردد القطع تتميز قدرات optocoupler كعنصر عزل كلفاني الحد الأقصى للجهدومقاومة الانفصال تطوير يوو تطوير Rوالقدرة على المرور ج التطوير .

في الرسم التخطيطي للهيكل الشكل. 1.1، يتم استخدام جهاز الإدخال لتحسين وضع تشغيل الباعث (على سبيل المثال، انحياز مؤشر LED إلى القسم الخطي لخاصية واط أمبير) وتحويل (تضخيم) الإشارة الخارجية. يجب أن تتمتع وحدة الإدخال بكفاءة تحويل عالية، وسرعة عالية، ونطاق ديناميكي واسع من تيارات الإدخال المسموح بها (للأنظمة الخطية)، وقيمة منخفضة لتيار الإدخال "العتبة"، مما يضمن نقلًا موثوقًا للمعلومات عبر الدائرة.

تنعكس الإمكانية الأساسية للتحكم في الخصائص البصرية للوسط، على سبيل المثال، باستخدام التأثيرات الكهروضوئية أو المغناطيسية الضوئية، من خلال إدخال جهاز تحكم في الدائرة. في هذه الحالة، نحصل على جهاز optocoupler متحكم فيه

قناة بصرية، تختلف وظيفيًا عن optocoupler "التقليدي": يمكن تغيير إشارة الخرج من خلال الإدخال ومن خلال دائرة التحكم.

في الكاشف الضوئي، تتم "استعادة" إشارة المعلومات من الضوئية إلى الكهربائية؛ وفي الوقت نفسه، يسعون جاهدين للحصول على حساسية عالية وأداء عالٍ.

وأخيرًا، تم تصميم جهاز الإخراج لتحويل إشارة الكاشف الضوئي إلى نموذج قياسي مناسب للتأثير على الشلالات اللاحقة للمقرنة الضوئية. إحدى الوظائف الإلزامية تقريبًا لجهاز الإخراج هي تضخيم الإشارة، نظرًا لأن الخسائر بعد التحويل المزدوج كبيرة جدًا. غالبًا ما يتم تنفيذ وظيفة التضخيم بواسطة الكاشف الضوئي نفسه (على سبيل المثال، الترانزستور الضوئي).

مخطط الكتلة العام للشكل. 1.1 يتم تنفيذه في كل جهاز محدد فقط عن طريق جزء من الكتل. ووفقا لهذا، هناك ثلاث مجموعات رئيسية من أجهزة optocoupler؛ optocouplers التي تم تسميتها سابقًا (optocouplers الأولية) باستخدام باعث الضوء - الوسط البصري - كتل الكاشف الضوئي ؛ الدوائر الدقيقة الإلكترونية الضوئية (المقرنة الضوئية) (المقرنة الضوئية مع إضافة مخرج وأحيانًا جهاز إدخال) ؛ أنواع خاصة من optocouplers - الأجهزة التي تختلف وظيفيًا وهيكليًا بشكل كبير عن optocouplers الأولية والدوائر الإلكترونية الضوئية

يمكن أن يكون جهاز optocoupler الحقيقي أكثر تعقيدًا من الدائرة الموضحة في الشكل. 1.1; قد لا تتضمن كل من هذه الكتل عنصرًا واحدًا، بل عدة عناصر متطابقة أو متشابهة متصلة كهربائيًا وبصريًا، لكن هذا لا يغير بشكل كبير أساسيات الفيزياء والإلكترونيات الخاصة بالمقرنة الضوئية.

1.4 التطبيق.

كعناصر من العزلة الغلفانية، يتم استخدام optocouplers: لتوصيل وحدات المعدات التي يوجد بينها فرق محتمل كبير؛ للحماية دوائر الإدخال أجهزة القياسمن التداخل والتداخل؛ إلخ.

هناك مجال آخر مهم لتطبيق أدوات optocouplers وهو التحكم البصري وعدم الاتصال بالدوائر ذات التيار العالي والجهد العالي. يطلق الثايرستور القوي، ترياكس، ترياكس، التحكم في أجهزة التتابع الكهروميكانيكية