Оптопары, соединяющие цепи с использованием оптических сигналов в качестве среды передачи, являются элементом, активно применяемым в областях, где необходима высокая точность, таких как акустика, медицина и промышленность, благодаря своей универсальности и надежности, например, долговечности и изоляции.
Но когда и при каких обстоятельствах работает оптопара, и каков её принцип действия? Или, если вы действительно используете фотопару в своей работе с электроникой, вы можете не знать, как её выбрать и применить. Потому что оптопару часто путают с «фототранзистором» и «фотодиодом». Поэтому в этой статье мы расскажем, что такое фотопара.
Что такое фотопара?
Оптопара — это электронный компонент, этимология которого связана с оптикой.
Оптоизолятор, что означает «связь со светом». Иногда также известен как оптоизолятор, оптический изолятор, оптическая изоляция и т. д. Он состоит из светоизлучающего элемента и светоприемного элемента и соединяет входную и выходную цепи посредством оптического сигнала. Между этими цепями отсутствует электрическая связь, другими словами, они находятся в состоянии изоляции. Следовательно, соединение цепи между входом и выходом является раздельным, и передается только сигнал. Надежно соединяет цепи со значительно различающимися уровнями входного и выходного напряжения, обеспечивая высоковольтную изоляцию между входом и выходом.
Кроме того, передавая или блокируя этот световой сигнал, он действует как переключатель. Подробный принцип и механизм будут объяснены позже, но светоизлучающим элементом фотопары является светодиод (LED).
В период с 1960-х по 1970-е годы, когда были изобретены светодиоды и достигнуты значительные технологические успехи,оптоэлектроникаЭто стало бумом. В то время различныеоптические устройстваБыли изобретены различные устройства, и фотоэлектрический соединитель был одним из них. Впоследствии оптоэлектроника быстро проникла в нашу жизнь.
① Принцип/механизм
Принцип работы оптопары заключается в том, что светоизлучающий элемент преобразует входной электрический сигнал в свет, а светоприемный элемент передает световой сигнал обратно в выходную цепь. Светоизлучающий и светоприемный элементы расположены внутри блока внешнего источника света и находятся друг напротив друга для передачи света.
В светоизлучающих элементах используется полупроводник LED (светоизлучающий диод). С другой стороны, в светоприемных устройствах используется множество различных полупроводников, выбор которых зависит от условий эксплуатации, внешних размеров, цены и т. д., но в целом наиболее распространенным является фототранзистор.
В нерабочем состоянии фототранзисторы пропускают гораздо меньший ток, чем обычные полупроводники. При попадании света на поверхность фототранзистора возникает фотоэлектродвижущая сила, в результате чего дырки в полупроводнике N-типа перетекают в p-область, а свободные электроны в полупроводнике p-области — в n-область, и возникает ток.
Фототранзисторы не так чувствительны, как фотодиоды, но они также обладают эффектом усиления выходного сигнала в сотни-тысячи раз по сравнению с входным сигналом (за счет внутреннего электрического поля). Поэтому они достаточно чувствительны, чтобы улавливать даже слабые сигналы, что является преимуществом.
На самом деле, «светоблокиратор», который мы видим, — это электронное устройство, работающее по тому же принципу и механизму.
Однако светопрерыватели обычно используются в качестве датчиков и выполняют свою функцию, пропуская светоблокирующий объект между светоизлучающим и светоприемным элементами. Например, их можно использовать для обнаружения монет и банкнот в торговых автоматах и банкоматах.
② Характеристики
Поскольку оптопара передает сигналы посредством света, изоляция между входной и выходной сторонами является важнейшей особенностью. Высокая изоляция не подвержена влиянию шума, а также предотвращает случайное протекание тока между соседними цепями, что чрезвычайно эффективно с точки зрения безопасности. Кроме того, сама конструкция относительно проста и рациональна.
Благодаря своей долгой истории и богатому ассортименту продукции различных производителей, оптопары также являются уникальным преимуществом. Отсутствие физического контакта минимизирует износ деталей и увеличивает срок службы. С другой стороны, у них есть и другие особенности, такие как склонность к колебаниям светового потока, поскольку светодиод постепенно ухудшается с течением времени и изменением температуры.
Особенно если внутренний компонент прозрачного пластика со временем мутнеет, качество света ухудшается. Однако в любом случае срок службы значительно превышает срок службы при механическом контакте.
Фототранзисторы, как правило, работают медленнее фотодиодов, поэтому их не используют для высокоскоростной связи. Однако это не является недостатком, поскольку некоторые компоненты имеют усилительные схемы на выходе для повышения скорости. На самом деле, не всем электронным схемам требуется повышение скорости.
③ Использование
Фотоэлектрические соединителиВ основном они используются для коммутационных операций. Цепь будет запитана при включении выключателя, но с точки зрения вышеуказанных характеристик, особенно изоляции и длительного срока службы, они хорошо подходят для сценариев, требующих высокой надежности. Например, шум является врагом медицинской электроники и аудиооборудования/коммуникационного оборудования.
Он также используется в системах управления двигателями. Причина в том, что скорость двигателя регулируется инвертором во время его работы, но при этом он генерирует шум из-за высокой выходной мощности. Этот шум не только приводит к выходу из строя самого двигателя, но и распространяется через «землю», влияя на периферийные устройства. В частности, оборудование с длинной проводкой легко улавливает этот высокочастотный шум, поэтому, если это происходит на заводе, это приводит к большим потерям и иногда к серьезным авариям. Использование высокоизолированных оптопар для коммутации позволяет минимизировать воздействие на другие цепи и устройства.
Во-вторых, как выбрать и использовать оптопары.
Как правильно подобрать оптопару для конкретного применения в проектировании изделий? Следующие инженеры-разработчики микроконтроллеров расскажут, как выбрать и использовать оптопары.
① Всегда открыто и всегда закрыто
Существует два типа фотопар: тип, у которого переключатель выключается (отключается) при отсутствии напряжения, тип, у которого переключатель включается (отключается) при наличии напряжения, и тип, у которого переключатель включается при отсутствии напряжения. При подаче напряжения переключатель включается и выключается при его наличии.
Первый называется нормально разомкнутым, а второй — нормально замкнутым. Выбор зависит, в первую очередь, от типа необходимой вам схемы.
② Проверьте выходной ток и приложенное напряжение.
Фотопары обладают свойством усиливать сигнал, но не всегда пропускают напряжение и ток по желанию. Конечно, они имеют номинальные характеристики, но напряжение на входе должно соответствовать требуемому выходному току.
Если мы посмотрим на техническое описание изделия, то увидим диаграмму, где по вертикальной оси отложен выходной ток (ток коллектора), а по горизонтальной — входное напряжение (напряжение коллектор-эмиттер). Ток коллектора изменяется в зависимости от интенсивности света светодиода, поэтому подавайте напряжение в соответствии с требуемым выходным током.
Однако может показаться, что рассчитанный здесь выходной ток удивительно мал. Это значение тока, которое все еще может надежно выдаваться с учетом износа светодиода со временем, поэтому оно меньше максимально допустимого значения.
Напротив, бывают случаи, когда выходной ток невелик. Поэтому при выборе оптопары обязательно внимательно проверьте «выходной ток» и выберите изделие, соответствующее ему.
③ Максимальный ток
Максимальный ток проводимости — это максимальное значение тока, которое оптопара может выдержать в проводящем режиме. Опять же, перед покупкой необходимо убедиться, что мы знаем, какой выходной ток требуется для проекта и какое входное напряжение. Убедитесь, что максимальное значение и используемый ток не являются ограничениями, а имеют некоторый запас.
④ Правильно установите фотопару
Выбрав подходящий оптопару, давайте применим его в реальном проекте. Сама установка проста: достаточно соединить клеммы, подключенные к каждой входной и выходной цепям. Однако следует соблюдать осторожность, чтобы не перепутать входную и выходную стороны. Поэтому необходимо также проверить обозначения в таблице данных, чтобы после составления схемы печатной платы не обнаружить ошибку в расположении контактной площадки фотопары.
Дата публикации: 29 июля 2023 г.