Optocuple cu tranzistori. Proiectarea și principiul de funcționare a optocuplelor

Un optocupler (altfel numit 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 aparate moderneÎn acest scop, se folosesc diode de lumină; modelele anterioare au fost echipate cu lămpi cu incandescență de dimensiuni mici) și un dispozitiv responsabil pentru conversia semnalului optic primit (fotodetector). Ambele componente sunt combinate folosind un canal optic și o carcasă comună.

Clasificarea tipurilor 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 echipat și cu elemente complementare (de exemplu, un amplificator).

În funcție de tipul de canal optic:

Canal optic de tip deschis;
Canal optic 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 folosind un generator fotovoltaic (baterie solară).

Proiectarea dispozitivelor de acest din urmă tip este adesea completată cu 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 „optorelays” 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. Mai mult, tranziția se realizează printr-un corp solid și procesele de efect fotoelectric intern care au loc în acesta (exprimate în emisia de electroni de către substanța sub influența fotonilor) și efectul de strălucire sub influența unui câmp electric.

Optic.

Dispozitivul funcționează prin interacțiunea subtilă a solidelor și a radiațiilor electromagnetice, precum și prin utilizarea dispozitivelor laser, holografice și fotochimice.

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

Optocuple;
Elemente cuantico-optice.

Sunt modele de dispozitive ale direcției 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. Ca rezultat, procesul de operare a unor astfel de dispozitive este cel mai convenabil. Cu un pas mai jos sunt modelele cu fotodiode și tranzistoare bipolare simple.

Pentru a asigura munca aparate cu impulsuri optocuplele sunt folosite pe bipolar, sau tranzistoare 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. Această 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 poate fi închis (exercită un 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 face posibilă transmiterea unui semnal care nu are legătură cu tensiune; acestea asigură și control și protecție fără contact), care poate fi asigurată de:
- Optocupler (în majoritatea cazurilor folosit ca transmițător de informații);
- Optorelay (în mare parte potrivit pentru controlul circuitelor de semnal și putere).

Optocuple

Utilizarea tranzistorului sau optocuplelor integrate este deosebit de importantă dacă este necesar să se asigure izolare galvanică într-un circuit de semnal sau un circuit cu curent de control scăzut. Rolul unui element de control poate fi îndeplinit de dispozitive semiconductoare cu trei electrozi, circuite care controlează semnale discrete, precum și circuite cu specializare specială.

Fig2: Optocuple 5000 Vrms 50mA.

Parametrii și caracteristicile de funcționare ale optocuplelor

Pe baza designului exact al dispozitivului, se poate determina puterea electrică a acestuia. Acest termen se referă la valoarea tensiunii care apare între circuitele de intrare și de ieșire. Astfel, producătorii de optocuple care asigură izolarea galvanică demonstrează o serie de modele cu carcase diferite:

SSOP;
Miniplat-plumb.

În funcție de tipul carcasei, optocuplerul generează una sau alta tensiune de izolație. Pentru a crea condiții în care nivelul de tensiune suficient pentru a provoca defectarea izolației a fost suficient de mare, optocuplerul ar trebui proiectat astfel încât următoarele părți să fie situate suficient de departe una de cealaltă:

și înregistrator optic;
Partea interioară și exterioară a carcasei.

În unele cazuri, puteți găsi optocuple dintr-un grup specializat, fabricate în conformitate cu standard international securitate. 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 clasificat într-o categorie sau alta, ceea ce se reflectă în denumirea modelului.

Nu există restricții cu privire la nivelul frecvenței inferioare de funcționare a optocuplelor: acestea funcționează bine într-un circuit cu curent continuu. 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 cel mai tipic este jucat de filtrele de joasă frecvență care funcționează la frecvențe care nu ating 10 Hz

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 instalați un ecran special. Al doilea este eliminat printr-un mod de operare corect selectat.

Optorelay

Un releu opto, altfel cunoscut sub numele de releu cu stare solidă, este de obicei folosit pentru a regla funcționarea unui circuit cu curenți mari de control. Rolul elementului de control aici este îndeplinit de obicei de două tranzistoare MOSFET cu conexiuni back-to-back această configurație asigură capacitatea de a funcționa în condiții de curent alternativ;

Fig. 3: Optorelay KR293 KP2V

Clasificarea tipurilor de opto-relee

Pentru opto-relee sunt definite trei tipuri de topologii:

În mod normal deschis Se presupune că circuitul de control se va închide numai atunci când tensiunea de control este aplicată la bornele diodei luminoase.
În mod normal închis Se presupune că circuitul de control se va deschide numai atunci când tensiunea de control este aplicată la bornele diodei luminoase.
Comutare A treia topologie implică o combinație de canale normal închise și normal deschise.

Un opto-releu, ca un optocupler, are o caracteristică de rezistență electrică.

Tipuri de opto-relee

Modele de tip standard;
Modele cu rezistență scăzută;
Modele cu CxR scăzut;
Modele cu tensiune de polarizare scăzută;
Modele cu tensiune mare de izolație.

Domenii de aplicare ale optoreleelor

Modem;
Dispozitiv de măsurare;
Interfață cu actuatorul;
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 ceva util la al meu.

Ce este un optocupler

Un optocupler este un dispozitiv optoelectronic, ale cărui părți funcționale principale sunt o sursă de lumină și un fotodetector, neconectate galvanic între ele, dar situate în interiorul unei carcase etanșe comune. Principiul de funcționare al unui optocupler se bazează pe faptul că semnalul electric furnizat acestuia provoacă o strălucire pe partea de transmisie, iar sub formă de lumină semnalul este recepționat de fotodetector, inițiind un semnal electric pe partea de recepție. Adică, semnalul este transmis și primit prin comunicare optică în cadrul componentei electronice.

Optocupler - cel mai mult varietate simplă optocupler. Este alcătuit doar din părți emițătoare și receptoare. Un tip mai complex de optocupler este un microcircuit optoelectronic, care conține mai multe optocuple conectate la unul sau mai multe dispozitive de potrivire sau de amplificare.

Astfel, optocuplerul este componenta electronica, care asigură transmisia de semnal optic într-un circuit fără o conexiune galvanică între sursa de semnal și receptorul acesteia, deoarece fotonii sunt cunoscuți a fi neutri din punct de vedere electric.

Structura și caracteristicile optocuplelor

Optocuplele folosesc fotodetectoare care sunt sensibile în regiunile apropiate de infraroșu și vizibil, deoarece această parte a spectrului este caracterizată de surse de radiații intense care pot funcționa ca fotodetectoare fără răcire. Fotodetectoarele cu joncțiuni p-n (diode și tranzistori) pe bază de siliciu sunt universale, regiunea sensibilității lor spectrale maxime este de aproape 0,8 microni.

Optocuplerul este caracterizat în primul rând de coeficientul de transmisie curent CTR, adică raportul dintre curenții semnalului de intrare și de ieșire. Următorul parametru este viteza de transmisie a semnalului, în esență frecvența de tăiere fc a optocuplerului, asociată cu timpii de creștere tr și timpii de tăiere tf pentru impulsurile transmise. În sfârșit, parametrii care caracterizează optocuplerul din punct de vedere al izolației galvanice: rezistența de izolare Riso, tensiunea maximă Viso și capacitatea de trecere Cf.

Dispozitivul de intrare inclus în structura optocuplerului este proiectat să creeze conditii optime funcționarea emițătorului (LED), pentru a muta punctul de funcționare în zona liniară a caracteristicii curent-tensiune.

Dispozitivul de intrare are o viteză suficientă și o gamă largă de curenți de intrare, asigurând o transmitere fiabilă a informațiilor chiar și la un curent scăzut (de prag). Mediul optic este situat în interiorul carcasei, prin care lumina este transmisă de la emițător la fotodetector.

În optocuplele cu canal optic controlat, există un dispozitiv de control suplimentar prin care este posibilă influențarea proprietăților mediului optic folosind mijloace electrice sau magnetice. Pe partea fotodetectorului, semnalul este restabilit, conversia rapid de la optic la electric.

Dispozitivul de ieșire pe partea fotodetectorului (de exemplu, un fototranzistor inclus în circuit) este proiectat pentru a converti semnalul într-o formă electrică standard, convenabilă pentru procesarea ulterioară în blocurile care urmează optocuplerului. Un optocupler adesea nu conține dispozitive de intrare și ieșire, așa că necesită circuite externe pentru a crea funcționarea normală în circuitul unui anumit dispozitiv.

Aplicarea optocuplelor

Optocuptoarele sunt utilizate pe scară largă în unități ale diferitelor echipamente, unde există circuite de joasă și înaltă tensiune, circuitele de control sunt decuplate de circuitele de putere: controlul triacurilor și tiristoarelor puternice, circuite relee etc.

În circuitele de inginerie radio de modulație și control automat al câștigului, se folosesc optocuplaje cu diode, tranzistori și rezistențe. Prin expunerea prin canalul optic, circuitul este reglat fără contact și adus la modul optim de funcționare.

Optocuplele sunt atât de versatile încât chiar și pur și simplu ca elemente de izolare galvanică și control fără contact sunt utilizate într-o varietate de industrii și în atât de multe funcții unice încât este imposibil să le enumerați pe toate.

Iată doar câteva dintre ele: tehnologie informatică, tehnologie de comunicații, automatizări, echipamente radio, sisteme de control automatizate, instrumente de măsurare, sisteme de control și reglare, echipamente medicale, dispozitive de afișare vizuală și multe altele.

Avantajele optocuplelor

Aplicarea optocuplelor pe plăci de circuite imprimate vă permite să obțineți o izolare galvanică ideală atunci când cerințele de rezistență pentru izolarea circuitelor de înaltă și joasă tensiune, de intrare și de ieșire sunt extrem de ridicate. Tensiunea dintre circuitele emițătorului și receptorului popularului optocupler PC817 este, de exemplu, de 5000 V. În plus, cu ajutorul izolației optice, se realizează o capacitate de trecere extrem de joasă, de ordinul a 1 pF.

Cu ajutorul optocuplelor, controlul fără contact este foarte ușor de implementat, menținând în același timp spațiu pentru soluții unice de proiectare privind circuitele de control direct. De asemenea, este important aici că nu există absolut nicio reacție de la receptor la sursă, adică informațiile sunt transmise unidirecțional.

Cea mai mare lățime de bandă a optocuplerului elimină limitările impuse de frecvențele joase: cu ajutorul luminii, puteți transmite fie un semnal constant, fie un semnal pulsat, și cu margini foarte abrupte, ceea ce este fundamental imposibil de realizat folosind transformatoare de impulsuri. Canalul de comunicație din interiorul optocuplerului este absolut imun la efectele câmpurilor electromagnetice, astfel încât semnalul este protejat de interferențe și interferențe. În cele din urmă, optocuptoarele sunt pe deplin compatibile cu alte componente electronice.

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 și LED-uri. În circuitele optoelectronice integrate, sursa de radiație optică este un LED de injecție, care oferă optocuple de înaltă performanță. 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 îndeplinește funcțiile unui ghid de lumină.

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

Principiul de funcționare al optocuplerului se bazează pe dubla conversie a energiei. În sursele de radiație, energia unui semnal electric este convertită în radiație optică, iar în fotodetectoare, semnalul 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 ohmi, iar capacitatea de comunicare 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 radiație.

2. lățime de bandă largă a vibrațiilor 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) element de izolare electrică în digital și aparate cu impulsuri, precum și dispozitive 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 unități de măsură.

Optocuptoarele cu rezistență sunt cele mai versatile. Ele pot fi utilizate în dispozitive analogice și cheie, au o gamă largă de variații de rezistență (zeci până la sute de MOhmi 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 folosite ca emițători. 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 circuitelor de intrare și de ieșire:

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

2. Tensiunea de intrare Uin este o tensiune constantă sau efectivă aplicată la bornele de intrare ale emițătorului la un curent 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 de trecere C pr - între intrarea și ieșirea optocuplerului.

9. Rezistența de izolație R de la 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 optopachetului.

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

Optocuptoarele cu diodă sunt folosite ca comutator și pot comuta curentul cu o frecvență de 10 6 ... 10 7 Hz. Rezistența la întuneric ajunge la 10 8 ... 10 10 Ohmi, iar când este iluminată scade la sute de Ohmi. Rezistența dintre circuitele de intrare și de ieșire este de 10 13 ... 10 15 Ohmi. Un LED care funcționează în regiunea infraroșu a radiației este folosit ca emițător în optocuplele cu diode, iar o fotodiodă de siliciu este folosită ca fotodetector. LED-ul are o caracteristică spectrală maximă la o lungime de undă de aproximativ 1 µm.

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

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

2. Am introdus. 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 este tensiunea inversă maximă de intrare aplicată intrării optocuplerului, care asigură funcționarea fiabilă pe termen lung a optocuplerului;

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

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

6. U out. Max. rev - tensiune 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 sp - timpul de decădere a 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 au o sensibilitate mai mare decât optocuptoarele cu diode. Viteza nu depășește 105 Hz. Optocuplul tranzistorului folosește un LED cu o lungime de undă de radiație 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 curent invers mic (curent întunecat) curge întotdeauna în circuitul colector al fototranzistorului, a cărui magnitudine depinde puternic de temperatură. Pentru a reduce curentul de întuneric, un rezistor extern de aproximativ 0,1...1,0 M Ohm este conectat între bornele de bază și emițător.

Un optocupler cu tranzistor este descris de parametrii circuitelor de intrare și de ieșire. Având în vedere că în optocuptoarele cu diodă și tranzistori sunt folosite LED-uri aproape identice, parametrii de intrare ai optocuplelor cu tranzistori sunt aceiași cu cei ai optocuplelor 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. I ut.out - curent care curge în circuitul de ieșire când fototranzistorul este închis (curent de scurgere);

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

4. Am afară. max - curentul maxim de ieșire al fototranzistorului în timpul funcționării sale fiabile;

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 sp - timpul de decădere 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 este timpul de la momentul în care semnalul de intrare este aplicat până la momentul în care semnalul de intrare ajunge la 0,1 U de intrare. Max. sau acesta este timpul de turmă - t sp al tensiunii de ieșire la nivelul de 0,1 U out. Max.

8. t off - off time este timpul în care semnalul de intrare scade la 0,9 U intrare max. sau este t nr - timpul de creștere a tensiunii de ieșire la 0,9 U de ieșire max.

9. Tensiunea maximă de izolație U din - tensiunea care poate fi aplicată între intrare și ieșire și la care se menține rigiditatea dielectrică a optocuplerului.

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

Optocuplele tiristoare sunt utilizate în modurile cheie pentru generarea 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 radiația LED se oprește. În acest sens, semnalul luminos de control de la LED poate fi furnizat doar pentru timpul necesar pentru deblocarea tiristorului. Toate acestea fac posibilă reducerea energiei necesare controlului optocuplerului fototiristor. Pentru a opri fototiristorul, trebuie eliminată 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 funcționare intrare I intrare, funcționare) - curent direct constant al optocuplerului, care transferă optocuplerul în starea deschis la un mod de intrare dat;

2. Curentul de comutare impuls I pornit. este amplitudinea impulsului de curent de intrare de o durată dată, care transformă optocuptoarele în starea deschisă;

3. U in - tensiunea de intrare la intrarea LED-ului la un curent de comutare de intrare dat;

4. I input - input D.C. LED;

5. eu in. im - intrare curent de impuls optocuple;

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

7. Ies. retur - curent invers de ieșire care curge atunci când fototiristorul este închis;

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

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

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

11. U output obr - tensiune maximă de ieșire la care este asigurată fiabilitatea specificată;

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

13. t off - timpul de oprire este perioada de timp din momentul în care curentul de ieșire se termină până în momentul începerii 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.

Optocuplele sunt acele dispozitive optoelectronice în care există o sursă și un receptor de radiații (emițător de lumină și fotodetector) cu unul sau altul tip de conexiune optică și electrică între ele, conectate structural între ele.

Principiul de funcționare optocuplele de orice fel se bazează pe următoarele. În emițător, energia semnalului electric este convertită în lumină în fotodetector, dimpotrivă, semnalul luminos provoacă un răspuns electric.

În practică, s-au răspândit doar optocuptoarele, care au o conexiune optică directă de la emițător la fotodetector și, de regulă, sunt excluse toate tipurile de comunicare electrică între aceste elemente.

În funcție de gradul de complexitate al diagramei structurale, între produsele optocuplelor se disting două grupuri de dispozitive. Un optocupler (numit și „optocupler elementar”) este un dispozitiv semiconductor optoelectronic format din elemente emițătoare și fotoreceptoare, între care există o conexiune optică care asigură izolatie electricaîntre intrare și ieșire. Un circuit integrat optoelectronic este un microcircuit format din unul sau mai multe optocuptoare și unul sau mai multe dispozitive de potrivire sau de amplificare conectate electric la acestea.

Astfel, într-un circuit electronic, un astfel de dispozitiv îndeplinește funcția unui element de comunicare, în care, în același timp, se realizează izolarea electrică (galvanică) a intrării și ieșirii.

În schema bloc din Fig. 1 dispozitiv de intrare este utilizat pentru a optimiza modul de funcționare al emițătorului (de exemplu, polarizarea LED-ului la secțiunea liniară a caracteristicii watt-amper) și convertirea (amplificarea) semnalului extern. Blocul de intrare trebuie să aibă randament ridicat conversie, viteză mare, gamă dinamică largă a curenților de intrare admisibili (pentru sisteme liniare), valoare scăzută a curentului de intrare „de prag”, care asigură transmiterea fiabilă a informațiilor prin circuit.

Figura 1. Diagrama bloc generalizată a unui optocupler

Scopul mediului optic este de a transfera energia semnalului optic de la emițător la fotodetector și, de asemenea, în multe cazuri, de a asigura integritatea mecanică a structurii.

Controlabilitate fundamentală proprietăți optice mediu, de exemplu, prin utilizarea efectelor electro-optice sau magneto-optice, se reflectă prin introducerea unui dispozitiv de control în circuit. În acest caz, obținem un optocupler cu un canal optic controlat, diferit din punct de vedere funcțional de un „. optocupler convențional”: semnalul de ieșire poate fi modificat atât la intrare, cât și la circuitele de comandă.

În fotodetector, semnalul informațional este „restaurat” de la optic la electric; în acelaşi timp se străduiesc să aibă sensibilitate ridicatăși de înaltă performanță.

În cele din urmă, dispozitivul de ieșire este proiectat pentru a converti semnalul fotodetectorului într-o formă standard convenabilă pentru influențarea cascadelor ulterioare optocuplerului. O funcție aproape obligatorie a dispozitivului de ieșire este amplificarea semnalului, deoarece pierderile după dubla conversie sunt foarte semnificative. Adesea, funcția de amplificare este realizată de fotodetectorul însuși (de exemplu, un fototranzistor).

Scheme electriceși caracteristicile de ieșire ale optocuplelor cu un fotorezistor (a), fotodiodă (b) și fototiristor (c): 1 - diodă emițătoare de lumină semiconductoare; 2 - fotorezistor; 3 - fotodioda; 4- fototiristor; UŞi eu- tensiunea si curentul in circuitul de iesire al optocuplatorului. Curbele punctate corespund absenței curentului în circuitul de intrare al optocuplerului, curbele solide corespund la două valori diferite ale curenților de intrare.

1. Introducere. 2

1.1. Definiții de bază. 2

1.2. Caracteristici distinctive optocuplere. 2

1.3. Diagrama bloc generalizată. 3

1.4. Aplicație. 4

1.5. Poveste. 5

2. Bazele fizice ale tehnologiei optocuplerului. 6

2.1. Baza elementului și designul optocuplelor. 6

2.2. Fizica conversiei energiei într-un optocuplor cu diodă. 7

3. Parametrii și caracteristicile optocuplelor și optoelectronice circuite integrate. 13

3.1. Clasificarea parametrilor produselor optocuplor. 13

3.2. Optocuple cu diode. 14

3.3. Optocuple cu tranzistori și tiristoare. 15

3.4. Optocuple cu rezistență. 15

3.5. Optocuple diferențiale. 15

3.6. Microcircuite optoelectronice. 16

4. Domenii de aplicare ale optocuplelor și microcircuitelor optocuplere. 16

4.1. Transferul de informații. 17

4.2. Primirea și afișarea informațiilor. 18

4.3. Controlul proceselor electrice. 18

4.4. Înlocuirea produselor electromecanice. 19

4.5. Funcții energetice. 19

5. Literatură. 19

1. INTRODUCERE

1.1 Definiții de bază.

Principiul de funcționare al optocuplelor de orice tip se bazează pe următoarele. În emițător, energia semnalului electric este convertită în lumină în fotodetector, dimpotrivă, semnalul luminos provoacă un răspuns electric.

În funcție de gradul de complexitate al diagramei structurale, între produsele optocuplelor se disting două grupuri de dispozitive. Un optocupler (numit și „optocupler elementar”) este un dispozitiv semiconductor optoelectronic format din elemente emițătoare și fotoreceptoare, între care există o conexiune optică care asigură izolarea electrică între intrare și ieșire. Un circuit integrat optoelectronic este un microcircuit format din unul sau mai multe optocuptoare și unul sau mai multe dispozitive de potrivire sau de amplificare conectate electric la acestea.

Astfel, într-un circuit electronic, un astfel de dispozitiv îndeplinește funcția unui element de comunicare, în care în același timp se realizează o izolație electrică (galvanică) a intrării și ieșirii.

1.2 Caracteristici distinctive ale optocuplelor.

Avantajele acestor dispozitive se bazează pe principiul optoelectronic general al utilizării fotonilor neutri din punct de vedere electric pentru a transfera informații. Principalele sunt următoarele:

Posibilitatea de a asigura izolare electrică (galvanică) ideală între intrare și ieșire; pentru optocuple nu există restricții fundamentale fizice sau de proiectare privind realizarea în mod arbitrar înaltă tensiuneși rezistențe de decuplare și capacitate de trecere arbitrar mică;

Capacitatea de a implementa controlul optic fără contact al obiectelor electronice și diversitatea și flexibilitatea rezultată a soluțiilor de proiectare pentru circuitele de control;

Propagarea unidirecțională a informațiilor de-a lungul canalului optic, fără feedback de la receptor la emițător;

Lățime de bandă largă de frecvență a optocuplerului, fără limitare de la frecvențele joase (ceea ce este tipic transformatoare de impulsuri); capacitatea de a transmite atât un semnal de impuls, cât și o componentă constantă printr-un circuit optocupler;

Capacitatea de a controla semnalul de ieșire al optocuplatorului influențând (inclusiv neelectric) materialul canalului optic și posibilitatea rezultată de a crea o varietate de senzori, precum și o varietate de dispozitive pentru transmiterea informațiilor;

Capacitatea de a crea dispozitive microelectronice funcționale cu fotodetectoare, ale căror caracteristici, atunci când sunt iluminate, se schimbă conform unei legi complexe date;

Imunitatea canalelor optice de comunicație la efectele câmpurilor electromagnetice, care în cazul optocuplelor „lungi” (cu un ghid de lumină extins cu fibră optică între emițător și receptor) le face protejate de interferențe și scurgeri de informații și, de asemenea, elimină interferență reciprocă;

Compatibilitate fizică, de proiectare și tehnologică cu alte dispozitive semiconductoare și microelectronice.

Optocuplele au, de asemenea, anumite dezavantaje:

Consum semnificativ de energie datorită necesității unei conversii duble a energiei (electricitate - lumină - electricitate) și eficienței scăzute a acestor tranziții;

Sensibilitate crescută a parametrilor și caracteristicilor la efectele temperaturii ridicate și ale radiațiilor nucleare penetrante;

Degradarea temporară (deteriorarea) mai mult sau mai puțin vizibilă a parametrilor;

Relativ nivel înalt autozgomot, cauzat, ca și cele două dezavantaje anterioare, de particularitățile fizicii LED-urilor;

Complexitatea implementării feedback-ului cauzată de izolarea electrică a circuitelor de intrare și ieșire;

Imperfecțiunea structurală și tehnologică asociată cu utilizarea tehnologiei hibride neplanare (cu necesitatea de a combina mai multe cristale individuale din semiconductori diferiți situate în planuri diferite într-un singur dispozitiv).

Dezavantajele enumerate ale optocuplelor sunt parțial eliminate pe măsură ce materialele, tehnologia și designul circuitelor se îmbunătățesc, dar cu toate acestea vor rămâne de o natură destul de fundamentală pentru o lungă perioadă de timp. Cu toate acestea, avantajele lor sunt atât de mari încât asigură că optocuplele sunt cu încredere necompetitive între alte dispozitive microelectronice.

1.3 Diagrama bloc generalizată (Fig. 1.1).

Figura 1.1. Schema bloc generalizată a unui optocupler.

Ca element de cuplare, un optocupler se caracterizează prin coeficientul său de transmisie K i, determinat de raportul dintre semnalele de ieșire și de intrare și rata maximă de transfer de informații F. Aproape în schimb F măsurați durata creșterii și scăderii impulsurilor transmise t nar (sp) sau frecvența de tăiere. Capacitățile unui optocupler ca element de izolare galvanică sunt caracterizate prin tensiune maxima si rezistenta de decuplare Dezvoltare UŞi Dezvoltarea Rși capacitatea de trecere Dezvoltare C .

În diagrama structurii Fig. 1.1, dispozitivul de intrare este utilizat pentru a optimiza modul de funcționare al emițătorului (de exemplu, polarizarea LED-ului la secțiunea liniară a caracteristicii watt-amper) și convertirea (amplificarea) semnalului extern. Unitatea de intrare trebuie să aibă o eficiență ridicată de conversie, viteză mare, o gamă dinamică largă de curenți de intrare admisiți (pentru sisteme liniare) și o valoare scăzută a curentului de intrare „prag”, care asigură transmiterea fiabilă a informațiilor prin circuit.

Scopul mediului optic este de a transfera energia semnalului optic de la emițător la fotodetector și, de asemenea, în multe cazuri, de a asigura integritatea mecanică a structurii.

Posibilitatea fundamentală de a controla proprietățile optice ale mediului, de exemplu, prin utilizarea efectelor electro-optice sau magneto-optice, se reflectă prin introducerea unui dispozitiv de control în circuit. În acest caz, obținem un optocupler cu control

canal optic, diferit din punct de vedere funcțional de un optocupler „convențional”: semnalul de ieșire poate fi modificat atât prin intrare, cât și prin circuitul de control.

În fotodetector, semnalul informațional este „restaurat” de la optic la electric; În același timp, se străduiesc să aibă o sensibilitate ridicată și o performanță ridicată.

Schema bloc generală din Fig. 1.1 este implementat în fiecare dispozitiv specific doar de o parte a blocurilor. În conformitate cu aceasta, există trei grupuri principale de dispozitive de optocuplare; optocuple denumite anterior (optocuple elementare) care folosesc blocuri emițător de lumină - mediu optic - fotodetectoare; microcircuite optoelectronice (optocuplere) (optocuplere cu adăugarea unui dispozitiv de ieșire și uneori a unui dispozitiv de intrare); tipuri speciale de optocuple - dispozitive care diferă semnificativ din punct de vedere funcțional și structural de optocuplele elementare și circuitele integrate optoelectronice

Un optocupler real poate fi mai complex decât circuitul din fig. 1,1; Fiecare dintre aceste blocuri poate include nu unul, ci mai multe elemente identice sau similare conectate electric și optic, dar acest lucru nu schimbă în mod semnificativ elementele fundamentale ale fizicii și electronicii optocuplerului.

1.4 Aplicare.

Ca elemente de izolare galvanică, optocuplele sunt utilizate: pentru conectarea unităților de echipamente între care există o diferență de potențial semnificativă; pentru protectie circuite de intrare aparate de masura de la interferențe și interferențe; etc.

Un alt domeniu important de aplicare pentru optocuple este controlul optic, fără contact al circuitelor de înaltă tensiune și de înaltă tensiune. Lansa tiristoare puternice, triac-uri, triac-uri, comanda dispozitivelor de relee electromecanice