Τι είναι ο οπτικός συζευκτήρας, πώς λειτουργεί, κύρια χαρακτηριστικά και πού χρησιμοποιείται

Το ζεύγος "οπτικός εκπομπός - οπτικός δέκτης" χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό στην ηλεκτρονική και την ηλεκτρική μηχανική. Ένα ηλεκτρονικό εξάρτημα στο οποίο ο δέκτης και ο πομπός βρίσκονται στο ίδιο περίβλημα και υπάρχει μια οπτική σύνδεση μεταξύ τους ονομάζεται οπτικός συζευκτήρας ή οπτικός συζευκτήρας.

Συσκευή οπτικού συζεύκτη

Ο οπτικός συζεύκτης αποτελείται από έναν οπτικό πομπό (εκπομπό), ένα οπτικό κανάλι και έναν δέκτη οπτικού σήματος. Ο φωτοπομπός μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα σε οπτικό. Ο πομπός στις περισσότερες περιπτώσεις είναι LED (τα παλαιότερα μοντέλα χρησιμοποιούσαν λαμπτήρες πυρακτώσεως ή νέον). Η χρήση των LED δεν είναι βασική, αλλά είναι πιο ανθεκτικά και αξιόπιστα.

Το οπτικό σήμα μεταδίδεται μέσω ενός οπτικού καναλιού στον δέκτη. Το κανάλι είναι κλειστό - όταν το φως που εκπέμπεται από τον πομπό δεν υπερβαίνει το σώμα του οπτικού συζεύκτη. Στη συνέχεια, το σήμα που παράγεται από τον δέκτη συγχρονίζεται με το σήμα στην είσοδο του πομπού.Τέτοια κανάλια είναι αέρας ή γεμάτα με ειδική οπτική ένωση. Υπάρχουν και «μακριούς» οπτοζεύκτες, το κανάλι στο οποίο βρίσκεται οπτική ίνα.

Εάν ο οπτικός συζευκτήρας είναι σχεδιασμένος με τέτοιο τρόπο ώστε η παραγόμενη ακτινοβολία, πριν φτάσει στον δέκτη, να φεύγει από το περίβλημα, ένα τέτοιο κανάλι ονομάζεται ανοιχτό. Με αυτό, μπορείτε να καταγράψετε εμπόδια που προκύπτουν στη διαδρομή της δέσμης φωτός.

Ο φωτοανιχνευτής εκτελεί την αντίστροφη μετατροπή του οπτικού σήματος σε ηλεκτρικό. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι δέκτες είναι:

1. Φωτοδίοδοι. Συνήθως χρησιμοποιείται σε ψηφιακές γραμμές επικοινωνίας. Η καταγωγή τους είναι μικρή.
2. Φωτοαντιστάσεις. Χαρακτηριστικό τους είναι η αμφίδρομη αγωγιμότητα του δέκτη. Το ρεύμα μέσω της αντίστασης μπορεί να πάει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση.
3. Φωτοτρανζίστορ. Ένα χαρακτηριστικό τέτοιων συσκευών είναι η δυνατότητα ελέγχου του ρεύματος του τρανζίστορ τόσο μέσω ενός οπτικού πομπού όσο και μέσω του κυκλώματος εξόδου. Χρησιμοποιείται τόσο σε γραμμική όσο και σε ψηφιακή λειτουργία. Ένας ξεχωριστός τύπος οπτικών συζεύξεων - με τρανζίστορ φαινομένου πεδίου παράλληλης αντίθεσης. Τέτοιες συσκευές ονομάζονται ρελέ στερεάς κατάστασης.
4. Φωτοθυρίστορ. Τέτοιοι οπτικοί συζεύκτες διακρίνονται από την αυξημένη ισχύ των κυκλωμάτων εξόδου και την ταχύτητα μεταγωγής τους· τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούνται βολικά για τον έλεγχο στοιχείων ηλεκτρονικών ισχύος. Αυτές οι συσκευές κατηγοριοποιούνται επίσης ως ρελέ στερεάς κατάστασης.

Τα μικροκυκλώματα οπτικών συζεύξεων έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένα - συγκροτήματα οπτικών συζευκτών με ιμάντες σε μία συσκευασία. Τέτοιοι οπτικοί συζεύκτες χρησιμοποιούνται ως συσκευές μεταγωγής και για άλλους σκοπούς.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Το πρώτο πλεονέκτημα που σημειώνεται στα οπτικά όργανα είναι η απουσία μηχανικών μερών.Αυτό σημαίνει ότι κατά τη λειτουργία δεν υπάρχει τριβή, φθορά, σπινθήρας των επαφών, όπως στα ηλεκτρομηχανικά ρελέ. Σε αντίθεση με άλλες συσκευές για γαλβανική απομόνωση σημάτων (μετασχηματιστές κ.λπ.), οι οπτικοί συζευκτήρες μπορούν να λειτουργούν σε πολύ χαμηλές συχνότητες, συμπεριλαμβανομένου του συνεχούς ρεύματος.

Επιπλέον, το πλεονέκτημα της οπτικής απομόνωσης είναι η πολύ χαμηλή χωρητική και επαγωγική σύζευξη μεταξύ εισόδου και εξόδου. Λόγω αυτού, μειώνεται η πιθανότητα μετάδοσης παλμών και παρεμβολών υψηλής συχνότητας. Η απουσία μηχανικής και ηλεκτρικής σύνδεσης μεταξύ εισόδου και εξόδου παρέχει τη δυνατότητα πληθώρας τεχνικών λύσεων για τη δημιουργία κυκλωμάτων ανεπαφικού ελέγχου και μεταγωγής.

Παρά τον περιορισμό σε πραγματικούς σχεδιασμούς όσον αφορά την τάση και το ρεύμα για την είσοδο και την έξοδο, θεωρητικά δεν υπάρχουν θεμελιώδη εμπόδια στην αύξηση αυτών των χαρακτηριστικών. Αυτό σας επιτρέπει να δημιουργήσετε οπτικούς συζεύκτες για σχεδόν οποιαδήποτε εργασία.

Τα μειονεκτήματα των οπτικών συζευκτών περιλαμβάνουν μονόδρομη μετάδοση σήματος - είναι αδύνατο να μεταδοθεί ένα οπτικό σήμα από τον φωτοανιχνευτή πίσω στον πομπό. Αυτό καθιστά δύσκολη την οργάνωση της ανάδρασης σύμφωνα με την απόκριση του κυκλώματος λήψης στο σήμα του πομπού.

Η αντίδραση του τμήματος λήψης μπορεί να επηρεαστεί όχι μόνο αλλάζοντας την ακτινοβολία του πομπού, αλλά και επηρεάζοντας την κατάσταση του καναλιού (εμφάνιση αντικειμένων τρίτων, αλλαγή των οπτικών ιδιοτήτων του μέσου καναλιού κ.λπ.). Μια τέτοια πρόσκρουση μπορεί επίσης να είναι μη ηλεκτρικής φύσης. Αυτό διευρύνει τις δυνατότητες χρήσης οπτικών συζευκτών. Και η έλλειψη ευαισθησίας στα εξωτερικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία σάς επιτρέπει να δημιουργείτε κανάλια μετάδοσης δεδομένων με υψηλή θόρυβο.

Το κύριο μειονέκτημα των οπτικών συζευκτών είναι η χαμηλή ενεργειακή απόδοση που σχετίζεται με απώλειες σήματος κατά τη μετατροπή διπλού σήματος. Επίσης ένα μειονέκτημα είναι το υψηλό εγγενές επίπεδο θορύβου. Αυτό μειώνει την ευαισθησία των οπτικών συζευκτών και περιορίζει το πεδίο εφαρμογής τους όπου απαιτείται εργασία με ασθενή σήματα.

Όταν χρησιμοποιείτε οπτικούς συζεύκτες, πρέπει επίσης να λαμβάνεται υπόψη η επίδραση της θερμοκρασίας στις παραμέτρους τους - είναι σημαντική. Επιπλέον, τα μειονεκτήματα των οπτικών συζευκτών περιλαμβάνουν μια αισθητή υποβάθμιση των στοιχείων κατά τη λειτουργία και μια ορισμένη έλλειψη τεχνολογίας στην παραγωγή που σχετίζεται με τη χρήση διαφόρων υλικών ημιαγωγών σε μία συσκευασία.

Χαρακτηριστικά οπτικών συζευκτών

Οι παράμετροι του Optocoupler χωρίζονται σε δύο κατηγορίες:

• χαρακτηρισμός των ιδιοτήτων της συσκευής για τη μετάδοση σήματος·
• που χαρακτηρίζει την αποσύνδεση μεταξύ εισόδου και εξόδου.

Η πρώτη κατηγορία είναι ο τρέχων συντελεστής μεταφοράς. Εξαρτάται από την εκπομπή του LED, την ευαισθησία του δέκτη και τις ιδιότητες του οπτικού καναλιού. Αυτός ο συντελεστής είναι ίσος με τον λόγο του ρεύματος εξόδου προς το ρεύμα εισόδου και για τους περισσότερους τύπους οπτικών συζευκτών είναι 0,005 ... 0,2. Για στοιχεία τρανζίστορ, ο συντελεστής μεταφοράς μπορεί να φτάσει το 1.

Εάν θεωρήσουμε τον οπτικό συζευκτήρα ως τετραπολικό, τότε το χαρακτηριστικό εισόδου του καθορίζεται πλήρως από το CVC του οπτικού εκπομπού (LED) και την έξοδο - από το χαρακτηριστικό του δέκτη. Το χαρακτηριστικό διέλευσης είναι γενικά μη γραμμικό, αλλά ορισμένοι τύποι οπτικών συζεύξεων έχουν γραμμικά τμήματα. Έτσι, ένα μέρος του CVC του οπτικού συζεύκτη διόδου έχει καλή γραμμικότητα, αλλά αυτό το τμήμα δεν είναι πολύ μεγάλο.

Τα στοιχεία αντίστασης αξιολογούνται επίσης από την αναλογία της σκοτεινής αντίστασης (με ρεύμα εισόδου ίσο με μηδέν) προς την αντίσταση φωτός. Για τους οπτοζεύκτες θυρίστορ, ένα σημαντικό χαρακτηριστικό είναι το ελάχιστο ρεύμα συγκράτησης σε ανοιχτή κατάσταση. Οι σημαντικές παράμετροι του οπτικού συζεύκτη περιλαμβάνουν επίσης την υψηλότερη συχνότητα λειτουργίας.

Η ποιότητα της γαλβανικής απομόνωσης χαρακτηρίζεται από:

• η μέγιστη τάση που εφαρμόζεται στην είσοδο και την έξοδο·
• μέγιστη τάση μεταξύ εισόδου και εξόδου.
• αντίσταση μόνωσης μεταξύ εισόδου και εξόδου.
• ικανότητα διέλευσης.

Η τελευταία παράμετρος χαρακτηρίζει την ικανότητα ενός ηλεκτρικού σήματος υψηλής συχνότητας να διαρρέει από την είσοδο στην έξοδο, παρακάμπτοντας το οπτικό κανάλι, μέσω της χωρητικότητας μεταξύ των ηλεκτροδίων.

Υπάρχουν παράμετροι που σας επιτρέπουν να προσδιορίσετε τις δυνατότητες του κυκλώματος εισόδου:

• την υψηλότερη τάση που μπορεί να εφαρμοστεί στους ακροδέκτες εισόδου.
• το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να αντέξει το LED.
• πτώση τάσης στο LED στο ονομαστικό ρεύμα.
• Αντίστροφη τάση εισόδου - Αντίστροφη τάση πολικότητας που μπορεί να αντέξει το LED.

Για το κύκλωμα εξόδου, αυτά τα χαρακτηριστικά θα είναι το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα και τάση εξόδου, καθώς και το ρεύμα διαρροής στο μηδενικό ρεύμα εισόδου.

Πεδίο εφαρμογής οπτικών συζευκτών

Οπτικοζεύκτες με κλειστό κανάλι χρησιμοποιούνται όπου, για κάποιο λόγο (ηλεκτρική ασφάλεια κ.λπ.), απαιτείται αποσύνδεση μεταξύ της πηγής σήματος και της πλευράς λήψης. Για παράδειγμα, σε βρόχους ανάδρασης μεταγωγή τροφοδοτικών - το σήμα λαμβάνεται από την έξοδο PSU, τροφοδοτείται στο στοιχείο ακτινοβολίας, η φωτεινότητα του οποίου εξαρτάται από το επίπεδο τάσης.Ένα σήμα ανάλογα με την τάση εξόδου λαμβάνεται από τον δέκτη και τροφοδοτείται στον ελεγκτή PWM.

Ένα θραύσμα ενός κυκλώματος τροφοδοσίας υπολογιστή με δύο οπτικούς συζεύκτες φαίνεται στο σχήμα. Ο επάνω οπτικός συζευκτήρας IC2 δημιουργεί μια ανάδραση που σταθεροποιεί την τάση. Το κάτω IC3 λειτουργεί σε διακριτή λειτουργία και τροφοδοτεί το τσιπ PWM όταν υπάρχει τάση αναμονής.

Η γαλβανική απομόνωση μεταξύ πηγής και δέκτη απαιτείται επίσης από ορισμένες τυπικές ηλεκτρικές διεπαφές.

Οι συσκευές με ανοιχτό κανάλι χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία αισθητήρων για την ανίχνευση αντικειμένων (παρουσία χαρτιού στον εκτυπωτή), τερματικούς διακόπτες, μετρητές (αντικείμενα στον μεταφορέα, αριθμό δοντιών γραναζιών στους χειριστές ποντικιού) κ.λπ.

Τα ρελέ στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούνται στην ίδια θέση με τα συμβατικά ρελέ - για τη μεταγωγή σημάτων. Όμως η διάδοσή τους εμποδίζεται από την υψηλή αντίσταση του καναλιού στην ανοιχτή κατάσταση. Χρησιμοποιούνται επίσης ως οδηγοί για στοιχεία ηλεκτρονικών στερεάς κατάστασης ισχύος (ισχυρά τρανζίστορ με εφέ πεδίου ή IGBT).

Ο οπτικός συζευκτήρας αναπτύχθηκε πριν από περισσότερο από μισό αιώνα, αλλά η ευρεία χρήση του ξεκίνησε αφού τα LED έγιναν προσιτά και φθηνά. Τώρα αναπτύσσονται όλα τα νέα μοντέλα οπτικών συζευκτών (ως επί το πλείστον, μικροκυκλώματα που βασίζονται σε αυτά) και το πεδίο εφαρμογής τους επεκτείνεται μόνο.

Παρόμοια άρθρα: