La coppia "emettitore ottico - ricevitore ottico" è stata a lungo utilizzata nell'elettronica e nell'ingegneria elettrica. Un componente elettronico in cui il ricevitore e il trasmettitore si trovano nella stessa custodia e vi è un collegamento ottico tra di loro è chiamato fotoaccoppiatore o fotoaccoppiatore.
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Dispositivo fotoaccoppiatore
L'accoppiatore ottico è costituito da un trasmettitore ottico (emettitore), un canale ottico e un ricevitore di segnali ottici. Il fototrasmettitore converte il segnale elettrico in uno ottico. Il trasmettitore nella maggior parte dei casi è un LED (i modelli precedenti utilizzavano lampadine a incandescenza o al neon). L'uso dei LED non ha principi, ma sono più durevoli e affidabili.
Il segnale ottico viene trasmesso attraverso un canale ottico al ricevitore. Il canale è chiuso - quando la luce emessa dal trasmettitore non va oltre il corpo dell'accoppiatore ottico. Quindi il segnale generato dal ricevitore viene sincronizzato con il segnale all'ingresso del trasmettitore.Tali canali sono aria o riempiti con uno speciale composto ottico. Ci sono anche fotoaccoppiatori "lunghi", il canale in cui si trova fibra ottica.
Se l'optoaccoppiatore è progettato in modo tale che la radiazione generata, prima di raggiungere il ricevitore, lasci l'alloggiamento, tale canale viene chiamato aperto. Con esso, puoi registrare gli ostacoli che si presentano nel percorso del raggio di luce.
Il fotorilevatore effettua la conversione inversa del segnale ottico in segnale elettrico. I ricevitori più utilizzati sono:
- Fotodiodi. Solitamente utilizzato nelle linee di comunicazione digitale. Il loro lignaggio è piccolo.
- Fotoresistenze. La loro caratteristica è la conduttività bidirezionale del ricevitore. La corrente attraverso il resistore può andare in entrambe le direzioni.
- Fototransistor. Una caratteristica di tali dispositivi è la capacità di controllare la corrente del transistor sia attraverso un optotrasmettitore che attraverso il circuito di uscita. Utilizzato sia in modalità lineare che digitale. Un tipo separato di fotoaccoppiatori - con transistor ad effetto di campo contrapposti in parallelo. Tali dispositivi sono chiamati relè a stato solido.
- Fototiristori. Tali fotoaccoppiatori si distinguono per la maggiore potenza dei circuiti di uscita e la loro velocità di commutazione; tali dispositivi sono convenientemente utilizzati nel controllo di elementi dell'elettronica di potenza. Questi dispositivi sono anche classificati come relè a stato solido.
I microcircuiti optoaccoppiatori si sono diffusi: assemblaggi di fotoaccoppiatori con reggiatura in un unico pacchetto. Tali fotoaccoppiatori sono usati come dispositivi di commutazione e per altri scopi.
Vantaggi e svantaggi
Il primo vantaggio che si nota negli strumenti ottici è l'assenza di parti meccaniche.Ciò significa che durante il funzionamento non si verificano attriti, usura, scintille dei contatti, come nei relè elettromeccanici. A differenza di altri dispositivi per l'isolamento galvanico dei segnali (trasformatori, ecc.), gli optoaccoppiatori possono funzionare a frequenze molto basse, compresa la corrente continua.
Inoltre, il vantaggio dell'isolamento ottico è il bassissimo accoppiamento capacitivo e induttivo tra ingresso e uscita. A causa di ciò, la probabilità di trasmissione di impulsi e interferenze ad alta frequenza è ridotta. L'assenza di collegamento meccanico ed elettrico tra l'ingresso e l'uscita offre la possibilità di una varietà di soluzioni tecniche per la creazione di circuiti di controllo e commutazione senza contatto.
Nonostante la limitazione nei progetti reali in termini di tensione e corrente per ingresso e uscita, in teoria non ci sono ostacoli fondamentali all'aumento di queste caratteristiche. Ciò consente di creare fotoaccoppiatori per quasi tutte le attività.
Gli svantaggi degli fotoaccoppiatori includono la trasmissione del segnale unidirezionale: è impossibile trasmettere un segnale ottico dal fotorilevatore al trasmettitore. Ciò rende difficile organizzare il feedback in base alla risposta del circuito di ricezione al segnale del trasmettitore.
La reazione della parte ricevente può essere influenzata non solo modificando la radiazione del trasmettitore, ma anche influenzando lo stato del canale (l'aspetto di oggetti di terze parti, modificando le proprietà ottiche del mezzo del canale, ecc.). Tale impatto può anche essere di natura non elettrica. Ciò amplia le possibilità di utilizzo di fotoaccoppiatori. E l'insensibilità ai campi elettromagnetici esterni consente di creare canali di trasmissione dati con elevata immunità ai disturbi.
Lo svantaggio principale degli optoaccoppiatori è la bassa efficienza energetica associata alle perdite di segnale durante la doppia conversione del segnale. Anche uno svantaggio è l'alto livello di rumore intrinseco. Ciò riduce la sensibilità degli fotoaccoppiatori e limita l'ambito della loro applicazione dove è necessario lavorare con segnali deboli.
Quando si utilizzano fotoaccoppiatori, è necessario tenere conto anche dell'influenza della temperatura sui loro parametri: è significativa. Inoltre, gli svantaggi degli fotoaccoppiatori includono un notevole degrado degli elementi durante il funzionamento e una certa mancanza di tecnologia nella produzione associata all'uso di vari materiali semiconduttori in un unico pacchetto.
Caratteristiche degli optoaccoppiatori
I parametri dell'accoppiatore ottico si dividono in due categorie:
- caratterizzare le proprietà del dispositivo per trasmettere un segnale;
- che caratterizza il disaccoppiamento tra ingresso e uscita.
La prima categoria è l'attuale coefficiente di trasferimento. Dipende dall'emissività del LED, dalla sensibilità del ricevitore e dalle proprietà del canale ottico. Questo coefficiente è uguale al rapporto tra la corrente di uscita e la corrente di ingresso e per la maggior parte dei tipi di fotoaccoppiatori è 0,005 ... 0,2. Per gli elementi a transistor, il coefficiente di trasferimento può raggiungere 1.
Se consideriamo l'optoaccoppiatore come un quadripolare, la sua caratteristica di ingresso è completamente determinata dal CVC dell'optoemettitore (LED) e l'uscita - dalla caratteristica del ricevitore. La caratteristica pass-through è generalmente non lineare, ma alcuni tipi di fotoaccoppiatori hanno sezioni lineari. Quindi, una parte del CVC dell'accoppiatore ottico a diodi ha una buona linearità, ma questa sezione non è molto ampia.
Gli elementi del resistore vengono anche valutati dal rapporto tra la resistenza al buio (con una corrente di ingresso uguale a zero) e la resistenza alla luce. Per gli fotoaccoppiatori a tiristori, una caratteristica importante è la corrente di mantenimento minima nello stato aperto. I parametri significativi dell'accoppiatore ottico includono anche la frequenza operativa più alta.
La qualità dell'isolamento galvanico è caratterizzata da:
- la tensione massima applicata all'ingresso e all'uscita;
- tensione massima tra ingresso e uscita;
- resistenza di isolamento tra ingresso e uscita;
- capacità di passaggio.
L'ultimo parametro caratterizza la capacità di un segnale elettrico ad alta frequenza di disperdersi dall'ingresso all'uscita, bypassando il canale ottico, attraverso la capacità tra gli elettrodi.
Esistono parametri che consentono di determinare le capacità del circuito di ingresso:
- la tensione più alta che può essere applicata ai terminali di ingresso;
- la corrente massima che il LED può sopportare;
- caduta di tensione attraverso il LED alla corrente nominale;
- Tensione di ingresso inversa - Tensione di polarità inversa che il LED può sopportare.
Per il circuito di uscita, queste caratteristiche saranno la corrente e la tensione di uscita massime consentite, nonché la corrente di dispersione a corrente di ingresso zero.
Ambito di optoaccoppiatori
Gli optoaccoppiatori a canale chiuso vengono utilizzati laddove, per qualche motivo (sicurezza elettrica, ecc.), è richiesto il disaccoppiamento tra la sorgente del segnale e il lato ricevente. Ad esempio, nei circuiti di feedback alimentatori a commutazione - il segnale viene prelevato dall'uscita dell'alimentatore, alimentato all'elemento radiante, la cui luminosità dipende dal livello di tensione.Un segnale che dipende dalla tensione di uscita viene prelevato dal ricevitore e inviato al controller PWM.
Nella figura è mostrato un frammento di un circuito di alimentazione di un computer con due fotoaccoppiatori. L'accoppiatore ottico superiore IC2 crea un feedback che stabilizza la tensione. L'IC3 inferiore funziona in modalità discreta e fornisce alimentazione al chip PWM quando è presente la tensione di standby.
L'isolamento galvanico tra sorgente e ricevitore è richiesto anche da alcune interfacce elettriche standard.
I dispositivi con canale aperto vengono utilizzati per creare sensori per il rilevamento di eventuali oggetti (presenza di carta nella stampante), finecorsa, contatori (oggetti sul trasportatore, numero di denti degli ingranaggi nei manipolatori del mouse), ecc.
I relè a stato solido vengono utilizzati nello stesso posto dei relè convenzionali, per la commutazione dei segnali. Ma la loro propagazione è ostacolata dall'elevata resistenza del canale allo stato aperto. Sono anche usati come driver per elementi di elettronica di potenza a stato solido (potenti transistor a effetto di campo o IGBT).
L'accoppiatore ottico è stato sviluppato più di mezzo secolo fa, ma il suo uso diffuso è iniziato dopo che i LED sono diventati convenienti ed economici. Ora sono in fase di sviluppo tutti i nuovi modelli di fotoaccoppiatori (per la maggior parte, microcircuiti basati su di essi) e il loro ambito si sta solo espandendo.
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