Spis treści:
Optoizolatory – na pierwszy rzut oka to skomplikowana nazwa, a ta alternatywna, czyli transoptory, jakoś wcale nie wydaje się bardziej przystępna. Okazuje się jednak, że zasada ich działania wcale nie jest trudna do zrozumienia. A gdy już zorientujemy się, że kryją się tu dwa człony: optyka oraz izolacja, to będzie już całkiem prosto i zapytani o ich działanie bez problemu odpowiecie, o co tutaj chodzi.
Optoizolator, transoptor - co to jest i jak działa?
Element elektroniczny półprzewodnikowy składa się z półprzewodników, takich jak krzem czy german. Teoretycznie to jedna rodzina z przekaźnikami półprzewodnikowymi, w praktyce transoptorów używa się do zastosowań o dość niskim poborze mocy, a klasyczne przekaźniki półprzewodnikowe są stosowane tam, gdzie moc jest wyższa (poziomy napięcia do setek woltów lub więcej, a poziomy prądu do kilkudziesięciu amperów i więcej). Transoptor zawiera w środku fotoemiter, czyli element emitujący światło. Przykład fotoemitera stanowi dioda elektroluminescencyjna LED. Zawiera także fotodetektor – element odbierający. Zwykle jest to fotodioda lub fototranzystor. Obydwa te komponenty znajdują się w jednej obudowie.
Dioda pracuje w bliskiej podczerwieni – jest ona słabo tłumiona przez atmosferę, dlatego dobrze nadaje się do prowadzenia transmisji. Dioda przetwarza wejściowy sygnał elektryczny na światło, zamknięty kanał optyczny (zwany również kanałem dielektrycznym) oraz fotosensor, który wykrywa przychodzące światło. Wówczas albo bezpośrednio generuje energię elektryczną, albo moduluje prąd elektryczny płynący z zewnętrznego źródła zasilania. Czujnikiem, czyli wspomnianym fotodetektorem, może być fotorezystor, fotodioda, fototranzystor, krzemowo sterowany prostownik (SCR) lub triak. A ponieważ diody LED oprócz emitowania światła mogą je wyczuwać, to możliwa jest budowa symetrycznych, dwukierunkowych optoizolatorów. Optyczny przekaźnik półprzewodnikowy zawiera optoizolator z fotodiodą, który napędza przełącznik mocy, zwykle komplementarną parę MOSFET-ów. Szczelinowy przełącznik optyczny zawiera źródło światła i czujnik, ale jego kanał optyczny jest otwarty, co pozwala na modulację światła przez obiekty zewnętrzne zasłaniające drogę światła lub odbijające światło do czujnika. Takie rozwiązanie pozwala odizolować oba obwody, zapobiega skokom napięcia oraz zmniejsza szumy i zakłócenia związane z połączeniami komunikacyjnymi.
Budowa optoizolatora
Budowa będzie związana z nieco bardziej szczegółowym opisem działania. Bazowo optoizolator składa się z diody LED emitującej światło w bliskiej podczerwieni, fotodiody, fototranzystora lub tranzystora, kanału zamkniętego i źródła zasilania. Oba elementy są zwykle zamknięte w nieprzezroczystej obudowie, zapobiegającej zakłócaniu emitowanej wiązki przez światło zewnętrzne, i umieszczone w pakiecie podobnym do układu scalonego lub tranzystora z dodatkowymi wyprowadzeniami. Napięcie z obwodu pierwotnego jest podawane do źródła zasilania w celu wytworzenia wiązki światła w bliskiej podczerwieni, która przemieszcza się przez zamknięty kanał, aż do momentu trafienia na fototranzystor, przekształcający energię optyczną na energię elektryczną. Ponieważ dioda LED i fototranzystor lub fotodioda są oddzielone i nie mają bezpośredniego połączenia elektrycznego, urządzenie zapewnia izolację dwóch sekcji obwodu, umożliwiając jednocześnie transfer energii elektrycznej z jednej sekcji do drugiej.
Rys. 1 – symbol transoptora na schematach elektrycznych
Istnieje mnóstwo rodzajów i kryteriów podziału optoizolatorów – pełne kompendium przypominałoby artykuł encyklopedyczny, a nie blogowy. Wymieńmy zatem dwa zasadnicze rodzaje optoizolatorów na podstawie urządzenia reagującego na światło i ich konfiguracji.
- Fotodioda: wykorzystuje diody LED jako źródło światła i fotodiody krzemowe jako czujniki światła.
- Fototranzystor: wykorzystuje fototranzystor jako czujnik światła.
Gdy światło z diody LED „uderza” w fototranzystor, zaczyna on przewodzić prąd w zależności od stanu i czasu trwania światła. Optoizolatory o wielu różnych kształtach i konfiguracjach są zaprojektowane tak, aby umożliwić izolację wyższych napięć niż te, które mogą obsłużyć pakiety SMD i DIP. Warto zapamiętać transoptory wielokrotne, zawierające kilka izolatorów w jednej obudowie. Znacznie ułatwia to montaż i zmniejsza powierzchnię na PCB, która musi być zajęta przez izolację galwaniczną sygnałów.
Parametry optoizolatora
Przeglądając optoizolatory, zawsze będziemy mieć do czynienia ze specyfikacją techniczną. Parametry i specyfikacje optoizolatorów to:
- Współczynnik przenoszenia prądu optoizolatora, czyli CTR, inaczej przekładnia prądowa lub wzmocnienie optoizolatora. To stosunek prądu wyjściowego do wejściowego. Różni się w zależności od typu transoptora użytego na wyjściu.
- Przepustowość. W przypadku wielu transoptorów wykorzystujących fototranzystory wartość ta oscyluje w granicach 250 kHz. Zwykle im niższa jest wartość CTR, tym krótsze są czas narastania i opadania, a w konsekwencji „szybszy” transoptor.
- Liniowość. Transoptory liniowe mają dodatkowy, identyczny fotodetektor. Jest on wykorzystywany w torze sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego zasilającego fotoemiter i umożliwia linearyzację charakterystyki przetwarzania.
- Maksymalne napięcie urządzenia wyjściowego. Transoptory z tranzystorami mają maksymalną wartość równą VCE(max) tranzystora. Transoptory wykorzystujące inne urządzenia wyjściowe wymagają równoważnej wartości znamionowej. Należy pamiętać o zachowaniu odpowiedniego marginesu – nie zaleca się obsługiwania urządzeń bliskich spadkobiercom maksymalnych wartości znamionowych.
- Prąd wejściowy, czyli wymagany dla wejściowego urządzenia nadawczego takiego jak dioda LED. Wartość ta jest niezbędna do dobrania rezystora szeregowego używanego do ograniczenia prądu.
Zastosowanie optoizolatorów
Najwcześniejsze optoizolatory datuje się na lata 60. XX wieku. Wykorzystywały one miniaturowe żarówki jako źródło światła oraz fotorezystory z siarczku kadmu (CdS) lub selenku kadmu (CdSe) jako odbiorniki (zwane również rezystorami zależnymi od światła, LDR). W zastosowaniach, w których liniowość sterowania nie była ważna, lub gdy dostępny prąd był zbyt mały do wysterowania żarówki (jak to miało miejsce we wzmacniaczach lampowych), zastępowano ją lampą neonową. Urządzenia te, lub tylko ich komponent LDR, były powszechnie nazywane waktrolami ze względu na znak towarowy Vactec, Inc. Amerykańscy producenci gitar i organów w latach 60. przyjęli oporowy optoizolator jako wygodny i tani modulator tremolo. Wkrótce trafił on do wyposażenia legendarnych gitar Fender, na których grali m.in. Jimi Hendrix i Eric Clapton. Dziś optoizolatory są szeroko stosowane w zasilaczach, systemach kontroli i monitorowania, komunikacji oraz innych systemach, aby bezpiecznie sprzęgnąć elektrycznie jedną sekcję obwodu z inną. Niezawodnie zapobiega to bezpośredniemu kontaktowi i wpływaniu strony o wysokim napięciu na tę o niższym. Możesz zastosować ją tam, gdzie obwody muszą być od siebie odizolowane ze względów bezpieczeństwa lub regularności, i jednocześnie musi zachodzić między nimi interakcja. Transoptory wielokrotne w obudowie DIL16 oraz transoptory jednokanałowe w obudowie DIP4 do montażu przewlekanego THT, z dokumentacją i przydatnymi linkami do bibliotek Eagle, znajdziesz w sklepie internetowym Botland.
