Para „emiter optyczny – odbiornik optyczny” jest od dawna stosowana w elektronice i elektrotechnice. Element elektroniczny, w którym odbiornik i nadajnik znajdują się w tej samej obudowie i jest między nimi łącze optyczne, nazywany jest transoptorem lub transoptorem.
Zawartość
Urządzenie transoptorowe
Transoptor składa się z nadajnika optycznego (emitera), kanału optycznego i odbiornika sygnału optycznego. Fotonadajnik zamienia sygnał elektryczny na optyczny. Nadajnikiem w większości przypadków jest dioda LED (wcześniejsze modele wykorzystywały żarówki żarowe lub neonowe). Stosowanie diod LED jest pozbawione zasad, ale są one trwalsze i bardziej niezawodne.
Sygnał optyczny jest przesyłany kanałem optycznym do odbiornika. Kanał jest zamknięty - gdy światło emitowane przez nadajnik nie wychodzi poza korpus transoptora. Następnie sygnał generowany przez odbiornik jest synchronizowany z sygnałem na wejściu nadajnika.Takie kanały są powietrzne lub wypełnione specjalnym związkiem optycznym. Istnieją również „długie” transoptory, których kanał jest światłowód.
Jeżeli transoptor jest zaprojektowany w taki sposób, że generowane promieniowanie przed dotarciem do odbiornika opuszcza obudowę, taki kanał nazywamy otwartym. Dzięki niemu możesz zarejestrować przeszkody, które pojawiają się na drodze wiązki światła.
Fotodetektor dokonuje odwrotnej konwersji sygnału optycznego na elektryczny. Najczęściej używane odbiorniki to:
- Fotodiody. Zwykle używany w cyfrowych liniach komunikacyjnych. Ich rodowód jest niewielki.
- Fotorezystory. Ich cechą jest dwukierunkowa przewodność odbiornika. Prąd płynący przez rezystor może iść w dowolnym kierunku.
- Fototranzystory. Cechą takich urządzeń jest możliwość sterowania prądem tranzystora zarówno przez optoprzekaźnik, jak i przez obwód wyjściowy. Stosowany zarówno w trybie liniowym, jak i cyfrowym. Osobny typ transoptorów - z równolegle przeciwstawnymi tranzystorami polowymi. Takie urządzenia nazywają się przekaźniki półprzewodnikowe.
- Fototyrystory. Takie transoptory wyróżniają się zwiększoną mocą obwodów wyjściowych oraz szybkością ich przełączania, co dogodnie stosuje się w sterowaniu elementami energoelektroniki. Urządzenia te są również klasyfikowane jako przekaźniki półprzewodnikowe.
Mikroukłady transoptorów stały się szeroko rozpowszechnione - zespoły transoptorów z wiązaniem w jednym opakowaniu. Takie transoptory są używane jako urządzenia przełączające i do innych celów.
Zalety i wady
Pierwszą zaletą zauważoną w przyrządach optycznych jest brak części mechanicznych.Oznacza to, że podczas pracy nie dochodzi do tarcia, zużycia, iskrzenia styków, jak w przekaźnikach elektromechanicznych. W przeciwieństwie do innych urządzeń do galwanicznej izolacji sygnałów (transformatory itp.), transoptory mogą pracować przy bardzo niskich częstotliwościach, w tym prądzie stałym.
Ponadto zaletą izolacji optycznej jest bardzo niskie sprzężenie pojemnościowe i indukcyjne między wejściem a wyjściem. Dzięki temu zmniejsza się prawdopodobieństwo transmisji impulsów i zakłóceń o wysokiej częstotliwości. Brak mechanicznego i elektrycznego połączenia między wejściem a wyjściem daje możliwość różnorodnych rozwiązań technicznych do tworzenia bezstykowych obwodów sterujących i przełączających.
Pomimo ograniczeń rzeczywistych konstrukcji pod względem napięcia i prądu na wejściu i wyjściu, teoretycznie nie ma fundamentalnych przeszkód w zwiększaniu tych charakterystyk. Pozwala to na tworzenie transoptorów do niemal każdego zadania.
Wadą transoptorów jest jednokierunkowa transmisja sygnału - nie ma możliwości przesłania sygnału optycznego z fotodetektora z powrotem do nadajnika. Utrudnia to zorganizowanie sprzężenia zwrotnego zgodnie z odpowiedzią obwodu odbiorczego na sygnał nadajnika.
Na reakcję części odbiorczej można wpływać nie tylko zmieniając promieniowanie nadajnika, ale także wpływając na stan kanału (pojawienie się obiektów obcych, zmiana właściwości optycznych medium kanału itp.). Takie oddziaływanie może mieć również charakter nieelektryczny. Rozszerza to możliwości zastosowania transoptorów. A niewrażliwość na zewnętrzne pola elektromagnetyczne pozwala tworzyć kanały transmisji danych o wysokiej odporności na zakłócenia.
Główną wadą transoptorów jest niska sprawność energetyczna związana ze stratami sygnału podczas podwójnej konwersji sygnału. Wadą jest również wysoki poziom hałasu własnego. Zmniejsza to czułość transoptorów i ogranicza zakres ich zastosowania tam, gdzie potrzebna jest praca ze słabymi sygnałami.
Przy stosowaniu transoptorów należy również wziąć pod uwagę wpływ temperatury na ich parametry – jest to istotne. Ponadto do wad transoptorów można zaliczyć zauważalną degradację elementów podczas pracy oraz pewien brak technologii w produkcji związany z zastosowaniem różnych materiałów półprzewodnikowych w jednym opakowaniu.
Charakterystyka transoptorów
Parametry transoptorów dzielą się na dwie kategorie:
- scharakteryzowanie właściwości urządzenia do transmisji sygnału;
- charakteryzujące rozdzielenie między wejściem i wyjściem.
Pierwsza kategoria to współczynnik transferu prądu. Zależy to od emisyjności diody LED, czułości odbiornika i właściwości kanału optycznego. Współczynnik ten jest równy stosunkowi prądu wyjściowego do prądu wejściowego i dla większości typów transoptorów wynosi 0,005 ... 0,2. W przypadku elementów tranzystorowych współczynnik przenoszenia może osiągnąć 1.
Jeśli rozważymy transoptor jako czterobiegunowy, to jego charakterystyka wejściowa jest całkowicie określona przez CVC opto-emitera (LED), a wyjście - przez charakterystykę odbiornika. Charakterystyka przelotowa jest generalnie nieliniowa, ale niektóre typy transoptorów mają sekcje liniowe. Tak więc część CVC transoptora diodowego ma dobrą liniowość, ale ta sekcja nie jest bardzo duża.
Elementy rezystora są również oceniane przez stosunek rezystancji ciemnej (przy prądzie wejściowym równym zero) do rezystancji światła. W przypadku transoptorów tyrystorowych ważną cechą jest minimalny prąd trzymania w stanie otwartym. Do istotnych parametrów transoptora należy również najwyższa częstotliwość pracy.
Jakość izolacji galwanicznej charakteryzuje:
- maksymalne napięcie przyłożone do wejścia i wyjścia;
- maksymalne napięcie między wejściem a wyjściem;
- rezystancja izolacji między wejściem a wyjściem;
- przepustowość przejścia.
Ostatni parametr charakteryzuje zdolność elektrycznego sygnału o wysokiej częstotliwości do wycieku z wejścia do wyjścia z pominięciem kanału optycznego, poprzez pojemność pomiędzy elektrodami.
Istnieją parametry, które pozwalają określić możliwości obwodu wejściowego:
- najwyższe napięcie, jakie można przyłożyć do zacisków wejściowych;
- maksymalny prąd, jaki może wytrzymać dioda LED;
- spadek napięcia na diodzie LED przy prądzie znamionowym;
- Odwrotne napięcie wejściowe — napięcie o odwrotnej polaryzacji, które może wytrzymać dioda LED.
W przypadku obwodu wyjściowego tymi charakterystykami będzie maksymalny dopuszczalny prąd wyjściowy i napięcie, a także prąd upływu przy zerowym prądzie wejściowym.
Zakres transoptorów
Transoptory z zamkniętym kanałem są stosowane tam, gdzie z jakiegoś powodu (bezpieczeństwo elektryczne itp.) wymagane jest odsprzęgnięcie między źródłem sygnału a stroną odbiorczą. Na przykład w pętlach sprzężenia zwrotnego zasilacze impulsowe - sygnał pobierany jest z wyjścia zasilacza, podawany na element promieniujący, którego jasność zależy od poziomu napięcia.Sygnał w zależności od napięcia wyjściowego pobierany jest z odbiornika i podawany do sterownika PWM.
Na rysunku pokazano fragment obwodu zasilania komputera z dwoma transoptorami. Górny transoptor IC2 tworzy sprzężenie zwrotne, które stabilizuje napięcie. Dolny IC3 działa w trybie dyskretnym i dostarcza zasilanie do układu PWM, gdy obecne jest napięcie czuwania.
Separacja galwaniczna między źródłem a odbiornikiem jest również wymagana przez niektóre standardowe interfejsy elektryczne.
Urządzenia z otwartym kanałem służą do tworzenia czujników do wykrywania dowolnych obiektów (obecności papieru w drukarce), wyłączników krańcowych, liczników (obiektów na przenośniku, ilości zębów kół zębatych w manipulatorach myszy) itp.
Przekaźniki półprzewodnikowe są używane w tym samym miejscu, co tradycyjne przekaźniki - do przełączania sygnałów. Jednak ich propagację utrudnia wysoka rezystancja kanału w stanie otwartym. Stosowane są również jako sterowniki elementów półprzewodnikowych elektroniki mocy (potężne tranzystory polowe lub IGBT).
Transoptor został opracowany ponad pół wieku temu, ale jego powszechne zastosowanie rozpoczęło się po tym, jak diody LED stały się przystępne i niedrogie. Teraz opracowywane są wszystkie nowe modele transoptorów (w większości oparte na nich mikroukłady), a ich zakres tylko się rozszerza.
Podobne artykuły:
