Оптопары, которые соединяют цепи, используя оптические сигналы в качестве среды, являются элементом, который активно используется в областях, где необходима высокая точность, таких как акустика, медицина и промышленность, благодаря своей высокой универсальности и надежности, а также долговечности и изоляции.
Но когда и при каких обстоятельствах работает оптопара, и каков её принцип действия? Или, если вы используете оптопару в своей работе с электроникой, вы можете не знать, как её выбрать и использовать. Оптопару часто путают с фототранзистором и фотодиодом. Поэтому в этой статье мы рассмотрим, что такое оптопара.
Что такое оптопара?
Оптопара — это электронный компонент, этимология которого — оптическая.
Соединитель, что означает «соединение со светом». Иногда его также называют оптопарой, оптическим изолятором, оптической изоляцией и т. д. Он состоит из светоизлучающего и светоприёмного элементов и соединяет входную и выходную цепи посредством оптического сигнала. Электрического соединения между этими цепями нет, то есть они находятся в состоянии изоляции. Таким образом, соединение между входом и выходом раздельное, и передаётся только сигнал. Обеспечивает надёжное соединение цепей с существенно различающимися уровнями входного и выходного напряжения благодаря высоковольтной изоляции 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 оптопары является светодиод (LED).
С 1960-х по 1970-е годы, когда были изобретены светодиоды и их технологический прогресс был значительным,оптоэлектроникастал бумом. В то время появились различныеоптические устройстваБыли изобретены фотоэлектрические преобразователи, одним из которых был фотоэлемент. 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 светоприёмный элемент передаёт световой сигнал обратно в выходную цепь. Светоизлучающий и светоприёмный элементы расположены внутри блока внешнего источника света и расположены друг напротив друга для передачи света.
Полупроводником, используемым в светоизлучающих элементах, является светодиод (LED). В светоприёмных устройствах используется множество видов полупроводников, различающихся по условиям эксплуатации, внешним размерам, цене и т. д., но, как правило, наиболее распространённым является фототранзистор.
В нерабочем состоянии фототранзисторы проводят ток, меньший, чем обычные полупроводники. При падении света фототранзистор создаёт фотоэлектродвижущую силу на поверхности полупроводника p-типа и полупроводника n-типа. Дырки из полупроводника n-типа перетекают в p-область, а свободные электроны из p-области перетекают в n-область, и возникает ток.
Фототранзисторы не так чувствительны, как фотодиоды, но они также способны усиливать выходной сигнал в сотни-тысячи раз по сравнению с входным (благодаря внутреннему электрическому полю). Поэтому они достаточно чувствительны, чтобы улавливать даже слабые сигналы, что является их преимуществом.
На самом деле, «световой блокиратор», который мы видим, — это электронное устройство с тем же принципом и механизмом.
Однако обычно в качестве датчиков используются светопрерыватели, которые выполняют свою функцию, пропуская препятствующий прохождению света объект между светоизлучающим и светоприёмным элементами. Например, их можно использовать для обнаружения монет и банкнот в торговых автоматах и банкоматах.
② Особенности
Поскольку оптопара передает сигналы посредством света, изоляция между входом и выходом является важной особенностью. Высокая изоляция устойчива к помехам и предотвращает случайное протекание тока между соседними цепями, что чрезвычайно эффективно с точки зрения безопасности. При этом сама конструкция относительно проста и рациональна.
Благодаря долгой истории, широкий ассортимент продукции различных производителей также является уникальным преимуществом оптопар. Отсутствие физического контакта обеспечивает малый износ деталей и более длительный срок службы. С другой стороны, светоотдача может колебаться, поскольку светодиоды постепенно изнашиваются со временем и под воздействием температурных перепадов.
Особенно, если внутренний прозрачный пластиковый компонент со временем помутнеет, он может не обеспечивать хорошего освещения. Однако, в любом случае, срок службы слишком велик по сравнению с механическим контактом.
Фототранзисторы, как правило, 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 муфтыВ основном используются для коммутации. Питание цепи происходит при включении выключателя, но с точки зрения вышеуказанных характеристик, особенно изоляции и долговечности, они хорошо подходят для случаев, требующих высокой надежности. Например, шум — враг медицинской электроники, аудиооборудования и средств связи.
Он также используется в системах электропривода. Причина использования двигателя заключается в том, что скорость вращения регулируется инвертором, но при работе двигателя он генерирует шум из-за высокой выходной мощности. Этот шум не только приводит к выходу из строя самого двигателя, но и, проходя через «землю», влияет на периферийные устройства. В частности, оборудование с длинной проводкой легко улавливает этот высокий выходной шум, поэтому, если это происходит на заводе, это приводит к большим потерям и иногда к серьёзным авариям. Использование оптопар с высокой изоляцией для коммутации позволяет минимизировать его влияние на другие цепи и устройства.
Во-вторых, как выбирать и использовать оптопары
Как правильно использовать оптопару при проектировании изделия? Следующие инженеры-разработчики микроконтроллеров объяснят, как выбирать и использовать оптопары.
① Всегда открыто и всегда закрыто
Существует два типа оптопары: тип, в котором переключатель выключен (выключен) при отсутствии напряжения, тип, в котором переключатель включен (выключен) при подаче напряжения, и тип, в котором переключатель включен при отсутствии напряжения. Подаёт и выключает при подаче напряжения.
Первый тип называется нормально разомкнутым, а второй — нормально замкнутым. Выбор зависит, прежде всего, от того, какая цепь вам нужна.
② Проверьте выходной ток и приложенное напряжение.
Оптопары обладают свойством усиливать сигнал, но не всегда пропускают напряжение и ток по желанию. Конечно, у них есть номинал, но на входе необходимо подать напряжение, соответствующее желаемому выходному току.
В техническом описании изделия мы видим 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 свечения светодиода, поэтому подавайте напряжение в соответствии с желаемым выходным током.
Однако вы можете подумать, что рассчитанный здесь выходной ток на удивление мал. Это значение тока, которое всё ещё может быть надёжно выведено с учётом 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 подберите изделие, соответствующее этому значению.
③ Максимальный ток
Максимальный ток проводимости — это максимальное значение тока, которое оптопара может выдержать в проводящем режиме. Опять же, перед покупкой необходимо точно знать, какая выходная мощность требуется проекту и какое входное напряжение. Убедитесь, что максимальное значение и используемый ток не являются ограничениями, но имеют некоторый запас.
④ Правильно установите оптопару.
Выбрав подходящую оптопару, давайте применим её в реальном проекте. Сама установка проста: достаточно подключить клеммы к каждой входной и выходной цепи. Однако следует соблюдать осторожность, чтобы не перепутать входную и выходную стороны. Поэтому также необходимо свериться с обозначениями в таблице данных, чтобы не обнаружить ошибку в расположении ножки оптопары после рисования печатной платы.
Время публикации: 29 июля 2023 г.