Optische connectoren en hun toepassingen
Een optocoupler (of optocoupler, zoals het onlangs begon te heten) bestaat structureel uit twee elementen: een zender en een fotodetector, in de regel verenigd in een gemeenschappelijke gesloten behuizing.
Er zijn veel soorten optocouplers: weerstand, diode, transistor, thyristor. Deze namen geven het type fotodetector aan. Als zender wordt meestal een halfgeleider-infrarood-LED met een golflengte in het bereik van 0,9 … 1,2 micron gebruikt. Rode LED's, elektroluminescente stralers en miniatuur gloeilampen worden ook gebruikt.
Het belangrijkste doel van optocouplers is het bieden van galvanische isolatie tussen signaalcircuits. Op basis hiervan kan het algemene werkingsprincipe van deze apparaten, ondanks het verschil in fotodetectoren, als hetzelfde worden beschouwd: het elektrische ingangssignaal dat bij de zender aankomt, wordt omgezet in een lichtstroom, die, inwerkend op de fotodetector, zijn geleidbaarheid verandert .
Als de fotodetector is fotoweerstand, dan wordt de lichtweerstand duizenden keren minder dan de oorspronkelijke (donkere) weerstand als de fototransistor - bestraling van de basis hetzelfde effect produceert als wanneer stroom op de basis wordt toegepast conventionele transistoren opent.
Hierdoor ontstaat aan de uitgang van de optocoupler een signaal dat in het algemeen niet identiek hoeft te zijn aan de vorm van de ingang en zijn de in- en uitgangscircuits niet galvanisch met elkaar verbonden. Een elektrisch sterke transparante diëlektrische massa (meestal een organisch polymeer) wordt geplaatst tussen de ingangs- en uitgangscircuits van de optocoupler, waarvan de weerstand 10 ^ 9 ... 10 ^ 12 Ohm bereikt.
In de industrie geproduceerde optocouplers krijgen een naam op basis van het huidige aanduidingssysteem voor halfgeleiderapparaten.
De eerste letter van de aanduiding van de optocoupler (A) geeft het uitgangsmateriaal van de emitter aan - galliumarsenide of een vaste oplossing van gallium-aluminium-arseen, de tweede (O) betekent de subklasse - optocoupler; de derde laat zien tot welk type het apparaat behoort: P — weerstand, D — diode, T — transistor, Y — thyristor. Vervolgens zijn cijfers, wat het nummer van de ontwikkeling betekent, en een letter - deze of gene typegroep.
Optocoupler-apparaat
De zender - een onverpakte LED - wordt meestal in het bovenste deel van de metalen behuizing geplaatst en in het onderste deel, op een kristallen houder, bevindt zich een fotodetector van versterkt silicium, bijvoorbeeld een fotothyristor. De gehele ruimte tussen de LED en de fotothyristor is gevuld met een stollende transparante massa. Deze vulling is bedekt met een laag die lichtstralen naar binnen reflecteert, waardoor verstrooiing van licht buiten het werkgebied wordt voorkomen.
Een iets ander ontwerp dan de beschreven optische weerstandskoppeling. Hier is een miniatuurlamp met een gloeidraad geïnstalleerd in het bovenste deel van het metalen lichaam en een fotoresistor op basis van cadmium-selenium in het onderste deel.
De fotoresistor wordt afzonderlijk vervaardigd, op een dunne sitalbasis. Hierop wordt een film van een halfgeleidend materiaal, cadmiumselenide, gespoten, waarna elektroden van een geleidend materiaal (bijvoorbeeld aluminium) worden gevormd. De uitgangsdraden zijn aan de elektroden gelast. De stevige verbinding tussen de lamp en de voet wordt verzorgd door een geharde transparante massa.
De gaten in de behuizing voor de optocoupler-draden zijn gevuld met glas. De strakke verbinding van het deksel en de basis van het lichaam wordt verzekerd door lassen.
De stroom-spanningskarakteristiek (CVC) van een thyristor optocoupler is ongeveer hetzelfde als die van een single thyristor... Bij afwezigheid van ingangsstroom (I = 0 - donkere karakteristiek), kan de fotothyristor alleen worden ingeschakeld bij een zeer hoge waarde van de spanning die erop wordt toegepast (800 ... 1000 V). Aangezien het aanleggen van een dergelijke hoge spanning praktisch onaanvaardbaar is, is deze curve puur theoretisch zinvol.
Als een directe bedrijfsspanning (van 50 tot 400 V, afhankelijk van het type optocoupler) wordt toegepast op de fotothyristor, kan het apparaat alleen worden ingeschakeld als er een ingangsstroom wordt geleverd, die nu de aandrijvende stroom is.
De schakelsnelheid van de optocoupler is afhankelijk van de waarde van de ingangsstroom. Typische schakeltijden zijn t = 5 … 10 μs. De uitschakeltijd van de optocoupler is gerelateerd aan het proces van resorptie van minderheidsstroomdragers in de knooppunten van de fotothyristor en hangt alleen af van de waarde van de stromende uitgangsstroom.De werkelijke waarde van de uitschakeltijd ligt in het bereik van 10 … 50 μs.
De maximale en werkende uitgangsstroom van de fotoresistor optocoupler neemt sterk af wanneer de omgevingstemperatuur boven de 40 graden Celsius stijgt. De uitgangsweerstand van deze optocoupler blijft constant tot de waarde van de ingangsstroom van 4 mA, en met een verdere toename van de ingangsstroom (wanneer de helderheid van de gloeilamp begint toe te nemen) neemt deze sterk af.
Naast de hierboven beschreven zijn er optocouplers met het zogenaamde open optische kanaal. Hier is de illuminator een infrarood-LED en kan de fotodetector een fotoresistor, fotodiode of fototransistor zijn. Het verschil tussen deze optocoupler is dat de straling ervan uitgaat, wordt gereflecteerd door een extern object en terugkeert naar de optocoupler, naar de fotodetector. In zo'n optocoupler kan de uitgangsstroom niet alleen worden geregeld door de ingangsstroom, maar ook door de positie van het buitenste reflecterende oppervlak te wijzigen.
In optocouplers met open optische kanalen zijn de optische assen van de zender en ontvanger parallel of onder een kleine hoek. Er zijn ontwerpen van dergelijke optocouplers met coaxiale optische assen. Dergelijke apparaten worden optocouplers genoemd.
Toepassing van otrons
Momenteel worden optocouplers veel gebruikt, vooral om micro-elektronische logische blokken te combineren die krachtige discrete elementen bevatten met actuatoren (relais, elektrische motoren, schakelaars, enz.), evenals voor communicatie tussen logische blokken die galvanische isolatie vereisen, modulatie van constant en langzaam veranderende spanningen, conversie rechthoekige pulsen in sinusoïdale oscillaties, controle van krachtige lampen en indicatoren van hoogspanning.