Optické väzobné členy, alebo hovorovo "optočleny" nám umožňujú úplne galvanicky oddeliť dva systémy medzi sebou. Vďaka týmto komponentom môžete navrhnúť jednoduché zapojenie pre riadenie sieťového napätia 230 V, ktoré je možné ovládať úplne bezpečne z iného obvodu - napríklad mikroprocesora.

Základy o optických väzobných členoch

Galvanické oddelenie

Teraz, keď čoraz viac elektrických zariadení obsahuje elektronické riadenie, sú optické väzbové členy v praxi moderného obvodového dizajnu nevyhnutné. Možno ich nájsť všade v každodennom živote. Optické väzbové členy, nazývané tiež optočleny alebo optoizolátory, zaisťujú prenos elektrických signálov v systémoch, kde je absolútne nevyhnutné galvanické oddelenie medzi zdrojom signálu a koncovým zariadením. Je to užitočné napríklad na zabránenie vzniku zemných slučiek alebo keď existuje veľký napäťový rozdiel medzi týmito dvoma obvodmi. To je prípad obvodov, ktoré "pracujú" so sieťovým napätím, napríklad regulujú jeho výkon. Vďaka optickému väzbovému členu nie je medzi riadiacim vstupom a regulovaným sieťovým napätím žiadne vodivé (galvanické) spojenie. Vďaka širokému frekvenčnému rozsahu (môžu byť použité na jednosmerné napätie a aj na pomerne vysoké frekvencie) a malým rozmerom sa často používajú ako náhrada signálnych transformátorov.

Všeobecné zásady

Prenos signálu sa uskutočňuje optickým spojením tak, ako je znázornené na obrázku nižšie a to optickou cestou. Elektrický signál sa na vysielacej strane prevádza na optický signál (svetlo). Na tento účel sa používa dióda LED (Light Emitting Diode), ktorá vyžaruje infračervené svetlo. Pre striedavé napätie sa používajú dve antiparalelne zapojené LED. Prijímačom môže byť fototranzistor, foto-darlington, foto-dióda, foto-FET, foto-triak, foto-tyristor alebo integrovaný detektor, ktorý prevádza optický signál späť na elektrický signál. Ak sa pre vysielač použije dióda na báze gálium-arzenid (GaAs), bude dióda vysielať infračervené svetlo s vlnovou dĺžkou približne 950 nm. Toto svetlo, neviditeľné pre ľudské oko, sa do detektora vysiela prostredníctvom svetlo vodivého média, ktoré potom generuje výstupný prúd v závislosti od jeho intenzity (veľkosti primárneho prúdu).

Prenos elektrického signálu optickou väzbou.

Typy optočlenov

V zásade existujú dva spôsoby prenosu optického signálu: odrazom a priamym žiarením.

• Odraz - Obrázok nižšie vľavo ukazuje, ako je konštruovaný optočlen s kovovým krytom (napríklad CNY18). Infračervené žiarenie z diódy sa nedostane k fototranzistoru priamo, ale až po odraze od povrchu spojovacieho média a čiastočne aj cez vnútornú stranu krytu. Vzhľadom na malé rozmery sú izolačné vzdialenosti také krátke, že izolačné napätie je zvyčajne iba 500 V.
• Priame žiarenie - Na pravom obrázku je moderná štruktúra zobrazená v takzvanom kryte DIL, ako je to v prípade modelu SFH600. V takom prípade infračervené svetlo z diódy vyžaruje priamo na fototranzistor cez svetlo vodivé médium (syntetická živica). Týmto spôsobom je možné realizovať silné väzby (veľké CTR = Current Transfer Ratio I_q / I_f). Izolačné napätie je zvyčajne niekoľko kV.

Oddelenie odrazom (vľavo) v porovnaní s typom priameho žiarenia (vpravo).

Vnútorné zapojenie optočlenu CNY18

Vnútorné zapojenie optočlenu SFH600

Špecifikácie optočlenu

Izolačné predpisy

Optočleny sa zvyčajne používajú na galvanické oddelenie dvoch obvodov, ktoré majú často rôzny potenciál. Veľkosť rozdielu potenciálov, ktorý je možné bezpečne oddeliť vďaka medzinárodným predpisom, závisí nielen od vlastností optočlenu, ale aj od typu obvodu a okolitých podmienok počas prevádzky. Medzi všeobecne známe všeobecne záväzné nariadenia patria UL, BSI, VDE, NORDIC a DEMKO.

Izolačný odpor

Je jednosmerný odpor medzi vstupom a výstupom optočlenu. Jeho hodnota je minimálne 10¹¹ Ω, čo je vyššia hodnota, ako obvykle dosahujete pri montáži optočlenu na dosku s plošnými spojmi. Pri navrhovaní dosiek plošných spojov s optickými väzobnými členmi je teda dôležité uvedomiť si, že najmä pri preklenutí veľkých rozdielov potenciálov môžu v rozsahu nA vzniknúť plazivé prúdy, ktoré dokážu významne ovplyvniť činnosť obvodu. Vhodnými prostriedkami na ich elimináciu je napríklad vyfrézovanie štrbiny v doske s plošnými spojmi alebo umiestnenie vodiča pripojeného k zemi medzi vstup a výstup.

Izolačná kapacita

V závislosti na konštrukcii tvoria základňa systému, emitujúca dióda a fototranzistor spolu kapacitu. Jej celková hodnota môže byť medzi 0.3 pF a 2 pF, ktorá sa meria so skratovanými vstupmi a výstupmi. Cez túto kapacitu optočlenu sa prenášajú rýchle zmeny vysokého napätia (500 V / μs) medzi vstupom a výstupom optočlenu, čo môže spôsobiť poruchu obvodu.

Izolačné napätie

Skúšobné izolačné napätie je maximálne prípustné napätie, ktoré môže byť dočasne (napríklad vo forme špičiek indukčného napätia) medzi vstupom a výstupom optočlenu. Prevádzkové napätie (menovité izolačné napätie) označuje maximálne napätie, ktoré môže byť trvale prevádzané cez optočlen. Maximálne povolené izolačné napätie silne závisí od svetlých a povrchových vzdialeností použitých v konštrukcii optočlenu.

Správanie sa v elektrických poliach

Pri optočlenoch sa pod efektom poľa rozumie pomalá zmena elektrických parametrov (najmä tranzistorov), keď sa medzi vstupom a výstupom udržiava napätie dlhšiu dobu (niekoľko dní). Tento proces prebieha obzvlášť silno pri vysokej teplote (100 °C) a vysokom jednosmernom napätí (1 kV). Zmeny parametrov kremíkového fototranzistora môžu byť spôsobené uvoľnenými nosičmi náboja. Silné elektrické pole môže preto spôsobiť efekt totožný s účinkom MOS tranzistora (inverzia na povrchu), čo môže spôsobiť zmenu zosilnenia, reverzného prúdu a reverzného napätia, pričom rozhodujúcim faktorom je smer poľa.

CTR aktuálneho prevodového pomeru

Okrem odolnosti proti vysokému napätiu je základnou charakteristikou optočlenov aj pomer prenosu prúdu (faktor väzby, pomer prenosu prúdu, CTR). Prúdový prenos zodpovedá β (prúdový zisk) bežného tranzistora a dá sa merať rovnakým spôsobom. V takom prípade však nie je pripojená báza, ale anóda a katóda vysielacej diódy, pozri obrázok nižšie. Aktuálny prevodový pomer je uvedený v percentách, napríklad I_C / I_F = 100%. Niektoré značky klasifikujú optočleny podľa CTR. CTR sa zvyčajne špecifikuje pri I_F = 10 mA a U_CE = 5 V. Faktor väzby závisí od vyžarovacieho výkonu vyžarovacej diódy, kvality prenosu svetla a celkovej citlivosti a zosilnenia tranzistora.

Meranie prevodového pomeru prúdu CTR (vľavo) a stanovenie UCE_sat (vpravo).

Saturačné napätie U_CEsat

Pri použití v logických obvodoch je okrem CTR dôležité aj saturačné napätie fototranzistora označované ako U_CEsat.

Linearita

Vyžarovaná energia diód emitujúcich svetlo nie je úmerná intenzite prúdu. Pri väčších prúdoch sa svetelný výkon zvyšuje viac ako proporcionálne. Zisk fototranzistora sa navyše zvyšuje so zvyšujúcim sa prúdom. Faktor väzby CTR sa tak pri väčšom vstupnom prúde zvyšuje viac ako lineárne. Všeobecne platí, že zvýšenie diódového prúdu o 1 mA až 10 mA vedie k dvoj - až trojnásobnému zvýšeniu CTR.

Vplyv teploty

Teplotné správanie sa optočlenu je určené rôznymi teplotnými vlastnosťami LED a fototranzistora. Zatiaľ čo vyžarovaná energia diódy klesá pri vyšších teplotách, zvyšuje sa prúd fotodiódy alebo kolektorový prúd fototranzistora. Umiestnením infračervenej diódy a fototranzistora v jednom kryte sa vytvorí viac alebo menej teplotne stabilná časť a teplotné charakteristiky oboch prvkov sa tak navzájom kompenzujú. Medzi 0° C a 50° C ukazuje CTR ploché maximum (1_F = 10 mA, U_CE = 5 V). CTR klesá pri vyšších teplotách a zostáva prakticky konštantná pri nižších teplotách. Pri malých prúdoch (1_F = 1 mA, U_CE = 5 V) prevažuje záporný teplotný koeficient diódy, takže maximum CTR sa potom posúva smerom k nižším teplotám. Obrázok nižšie zobrazuje CTR ako funkciu teploty pre normálny pracovný rozsah (10 mA, 5 V). Vidíte, že CTR je pri izbovej teplote takmer konštantná.

CTR faktor a jeho vzťah k teplote.

Degradácia

Keď je LED dióda optočlenu dlhodobo v prevádzke, energia vyžarovania sa v dôsledku starnutia znateľne zníži. Tento jav sa nazýva degradácia. U optočlenov to vedie k zníženiu väzobného faktora CTR. Najmä ak používate optočleny na prenos signálov logických úrovní, napríklad ako galvanické oddelenie medzi procesorom a jeho perifériami ( I / O karty, prevádzače), môžu sa po nejakom čase začať vyskytovať chyby.Ich identifikovateľnou príčinou je často "starnutie" jedného alebo viacerých optočlenov. Pri projektovaní obvodov teda musíte brať do úvahy aj určitý stupeň starnutia. Majte na pamäti, že veľké prúdy a / alebo vysoké teploty významne urýchľujú degradáciu samotného optočlenu. Často sa preto pre praktické použitie volia optočleny s veľkým CTR (= malý vstupný prúd). Starnutie môžete spomaliť tým, že ponecháte vstupnú LED čo najviac vypnutú (krátky pracovný cyklus: pomer zapnutia / vypnutia) a optočlen namontujete na čo najchladnejšie miesto. Na kritických miestach môžete zvážiť použitie lineárnych optočlenov (pozri poslednú kapitolu tohto článku).

Spínacie časy

Optočleny s fototranzistorom ako detektorom majú spínacie časy približne 3 μs (ton / toff) v lineárnom režime pri RL 75 Ω. Definíciu spínacích časov je možné odvodiť z obrázka nižšie:

• t_on - Čas zapnutia (čas zapnutia). Čas, v ktorom sa IC prúd kolektora zvýši na 90% maximálnej hodnoty po aktivácii I_F.
• t_r - Čas nábehu. Čas, v ktorom sa IC kolektorového prúdu zvýši z 10% na 90% jeho konečnej hodnoty.
• t_off - Čas vypnutia (čas vypnutia). Čas, v ktorom IC kolektorového prúdu klesne na 10% maximálnej hodnoty po deaktivácii I_F.
• t_f - Čas pokoja. Čas, v ktorom IC kolektorový prúd klesne z 90% na 10% maximálnej hodnoty.

Ak je tranzistor nasýtený v dôsledku preťaženia (U_CEsat> 0,4 ​​V), nastáva podstatne dlhší čas vypnutia (toff), pretože doba skladovania a doba výpadku sa prudko zvyšujú. Spínacie časy sú určené hlavne Millerovou kapacitou C_cb fototranzistora a záťažovým rezistorom R_L. Spínacie časy LED sú viditeľné iba pri malých hodnotách R_L.

Definícia spínacích časov optočlenu.

Časová konštanta

Zvyčajne je rezistor inštalovaný v kolektorovej alebo emitorovej linke fototranzistora. Pokles napätia na tomto rezistore je potom výstupným signálom. Časovú konštantu fototranzistora v optočlene možno mierne znížiť zahrnutím druhého tranzistora medzi výstup a záťaž. Kratší čas ako 2 μs však nie je možný, pretože spínací čas diód GaAs je už približne 2 μs. Keď pripojíte druhý tranzistor k fototranzistoru ako Darlington, vytvorí sa foto zosilňovač s vysokou citlivosťou, ktorý je však podstatne pomalší ako samotný fototranzistor.

Základné obvody

Ovládanie pomocou TTL logiky

Na nasledujúcom obrázku je znázornená schéma, v ktorej je LED dióda optočlenu napájaná z portu TTL. Činnosť obvodu vľavo je invertujúca. Aby sa zabránilo príliš malému odporu vysielača, musí byť port na prijímacej strane komponentom Schottky (LS) s nízkym výkonom. Vpravo je zobrazený neinvertujúci pohon z brány TTL. Tento spôsob prepínania ponúka najlepšie podmienky na vysielacej aj prijímacej strane.

Ovládanie z TTL, invertujúce (vľavo) a neinvertujúce (vpravo).

Nízkofrekvenčný prenos

Na obrázku nižšie je znázornená základná schéma prenosu LF (nízkofrekvenčný signál). Aby bolo možné prenášať nízkofrekvenčné signály s minimálnym skreslením, musí byť hodnota I_Fac mnohokrát väčšia ako hodnota I_Fdc. Prevádzkový bod nastavený pomocou I_Fdc musí preto konkrétne ležať v lineárnej oblasti emitorovej diódy. Charakteristické hodnoty preto sú:

• I_Fdc = 10 mA
• I_Fac = 1 mA

Použitie optického väzobného člena na prenos nízkofrekvenčných signálov.

Verzie optočlenov

Predslov

V minulosti existovali iba optočleny, ktoré pozostávali z jednej LED a jedného fotocitlivého tranzistora. Kvôli čoraz väčšiemu používaniu týchto komponentov vo všetkých odvetviach elektroniky prišli výrobcovia s nápadom uviesť na trh viac druhov optočlenov. V dnešnej dobe preto už nemôžete prísť s aplikáciou, pre ktorú neexistuje vhodný optický väzobný člen. V nasledujúcich častiach sú stručne popísané rôzne verzie s ich štandardnými zapojeniami a púzdrami.

LED diódy a fototranzistory

Na obrázku nižšie sú zobrazené štandardné verzie optického väzbového člena s fototranzistormi na výstupe. Najjednoduchšia verzia je umiestnená v púzdre DIL-4 a obsahuje jednu LED a jeden fototranzistor, ktorého báza nie je vyvedená. Ale to nie je až taký problém, pretože ju nebudete často používať. Duálna verzia je uvedená na trh v púzdre DIL-8. V štvornásobnej verzii v kryte DIL-16 je však háčik. V niektorých verziách sú totižto anódy a katódy LED diód obrátené. Okrem toho sú na trhu druhy, v ktorých sa striedavo prepínajú štyri LED diódy. Takže od pinu 1 po pin 8: anóda - katóda - katóda 2 - anóda 2 - anóda 3 - katóda 3 - katóda 4 - anóda 4.

Štandardné verzie optických väzbových členov s LED a foto - tranzistormi.

Vysokonapäťové verzie

Nakoniec sú tu optočleny aj vo vysokonapäťovej verzii v špeciálnom púzdre. Toto puzdro má iba štyri piny, pozri obrázok nižšie a vzdialenosť medzi pinmi 1 + 4 a 2 + 3 závisí od požadovaného izolačného napätia optočlena.

Verzia štandardného vysokonapäťového optočlena.

Darlingtonov výstup

V niektorých optických väzobných členoch sa citlivosť zvyšuje nahradením jedného tranzistora dvojicou tranzistorov v  Darlingtonovom zapojení, teda kombináciou dvoch tranzistorov. Základná schéma je nakreslená na obrázku nižšie.

Optočlen s použitím zapojenia darlingtonového zapojenia dvojice tranzistorov.

Optočlen s tyristorom - optotyristor

Často sa používa optočlen na ovládanie striedavého prúdu jednosmerným napätím. S tradičným foto - tranzistorovým väzobným členom potom ešte musíte osadiť pomerne rozsiahly externý obvod. Preto boli na trh uvedené optické väzobné členy, v ktorých je sekundárny prvok navrhnutý ako foto - tyristor. Tieto komponenty sú samozrejme tiež fotocitlivé a majú veľkú výhodu v tom, že je možné priamo na ne pripojiť striedavé napätie.

Optočlen s triakom - optotriak

Ešte zaujímavejšie sú otočleny s fototriakom ako sekundárnym prvkom. S takýmito obvodmi je veľmi ľahké vyrobiť optické relé, pomocou ktorého môžete prepínať veľké záťaže sieťového napätia. Je pravda, že zabudovaný triak nie je schopný spínať potrebné prúdy. Ale tento fototriak sa dá použiť ako zapaľovací prvok pre druhý, oveľa väčší externý triak.

Optočleny s foto - tyristorom alebo triakom ako sekundárnou časťou.

Špeciálne optočleny

Optické väzbové členy so zabudovaným predzosilňovačom

Okrem doteraz spomenutých štandardných verzií, rôzni výrobcovia predávajú aj špeciálne verzie pre konkrétne aplikácie. Ak je fototranzistor pre konkrétnu aplikáciu príliš pomalý, môže byť nahradený fotodiódou. Pretože je však prúd dodávaný takýmto komponentom veľmi malý, je do optočlenu obvykle zabudovaný aj predzosilňovač. Aj keď je v obehu niekoľko konfigurácií, konfigurácia uvedená na obrázku nižšie je jednou z najpoužívanejších. Fotodióda je pripojená na pinoch 8 a 7, aby ste ju mohli zapojiť externe do obvodu. Predzosilňovač je zakončený tranzistorom s výstupmi otvoreného kolektora.

Optočlen s fotodiódou a interným predzosilňovačom.

Optočleny s detekciou prechodu nulou

Na galvanicky oddelené spínanie sieťového napätia 230 V sa často použijú optické väzobné členy. V takýchto aplikáciách môžete použiť špeciálne optočlený série MOC30xx. Pozostávajú z infračervenej LED diódy a fototriaku, ktorý je vo vodivom stave, iba keď sieťové napätie klesne na nulu. Tým sa zabráni vzniku veľkých zapínacích prúdov v sieti a v spínanej záťaži. Okrem toho je optotriak v komponente schopný priamo spínať sieťové napätie 230 V.

Optočlen série MOC30xx s detekciou prechodu nulou.

"Foto prerušovače"

Špeciálna vetva rodiny optočlenov sa zaoberá bezkontaktným počítaním objektov alebo udalostí. U týchto neštandardizovaných častí nie je infračervené optické spojenie medzi vysielačom a prijímačom pre ľudí neviditeľné stanovené v samotnej časti, ale externe. Tieto optické väzbové členy sú známe ako "prerušovače", alebo závory. Ako naznačuje tento názov, optické spojenie môžete prerušiť externým objektom. To umožňuje počítať objekty úplne bezkontaktne alebo merať rýchlosť rotujúceho hriadeľa. Do stredu musíte umiestniť objekt, ktorý sa má počítať - medzi vysielač a prijímač, aby sa prerušilo infračervené spojenie medzi týmito dvoma časťami. Pravá funguje odrazom infračerveného žiarenia na počítanom objekte. Je zrejmé, že týmto spôsobom nemôžete spočítať všetky objekty. Ak povrch predmetu absorbuje svetlo, tento systém nebude fungovať.

Lineárne optočleny

Degenerácia optočlenov

Optočleny s infračervenými LED diódami sa javia ako ideálne, ale bohužiaľ musíte brať do úvahy aj jav ich starnutia. Koniec koncov, diódy vyžarujúce svetlo sa správajú nelineárne, v závislosti od prevádzkovej teploty a času. Svetelný výkon klesá nenápadne, ale rovnomerne. Ak na prenos signálov používate LED diódy v optočlenoch, môže to spôsobiť veľké problémy. Pri spájaní riadiacich signálov nebude signál na sekundárnej strane po chvíli dostatočne veľký. Problémy sa stanú ešte väčšími, ak nie sú spojené žiadne nekritické riadiace impulzy, ale jednosmerné napätia dodávané snímačmi. Kvôli degenerácii LED diódy je tak kalibrácia systému prakticky nemožná. Aj keď môžete minimalizovať degradáciu tým, že prúd LED diódy bude čo najmenší čo má svoje určité nevýhody, ako napríklad ovplyvnenie rýchlosti spínania a aj citlivosti.

Lineárny optočlen

Problém degenerácie LED diód môžete vyriešiť použitím takzvaných "lineárnych optočlenov“. V týchto častiach je infračervená LED dióda opticky spojená s dvoma fotodiódami. Tieto svetlocitlivé detektory reagujú lineárne na prúd pretekajúci cez LED diódu. Jeden detektor prenáša signál na výstup, druhý dodáva časť signálu späť na vstup. Znižujúce sa vyžarovanie svetla LED diódy tak detekujú oba detektory. Prvý detektor bude preto generovať čoraz menší signál. Robí to aj druhý detektor, ale riadiaci obvod teraz zaisťuje, že prúd cez LED diódu začne stúpať. Fenomén starnutia je tak kompenzovaný a prvý detektor bude opäť dodávať dostatočný signál na výstupe. Ďalšou výhodou lineárneho optočlenu je, že je vhodný pre signály striedavého a aj jednosmerného napätia.

Interný obvod

Interný obvod lineárneho optočlenu teda možno znázorniť, ako je znázornené na obrázku nižšie. Dva faktory K1 a K2 predstavujú väzbové faktory medzi LED diódami (piny 1/2) a dvoma fotodetektormi (piny 3/4, respektíve 5/6).

Interný obvod lineárneho optočlena.

Princíp činnosti

Lineárny optočlen poskytuje základ pre systém, ale samotný projektant musí navrhnúť aj externý obvod, ktorý zabezpečí fungovanie celého systému. V zásade musíte zahrnúť aj spätnú väzbu. Na nasledujúcom obrázku je znázornený princíp lineárneho optočlena v obvode zosilňovača. Fotodiódy sú blokované. Spätnoväzbová foto dióda deteguje časť infračerveného svetla vyžarovaného LED diódou. Táto časť generuje signál I_p1, ktorý sa používa na riadenie prúdu cez LED diódu. Druhá fotodióda poskytuje výstupný signál I_p2, ktorý lineárne súvisí s výsledným svetlom emitovaným LED diódou.

Základný obvod okolo lineárneho optočlenu.

Vlastnosti

Stabilita zosilnenia medzi vstupom a výstupom je dôsledkom použitia starostlivo vybraných fotodiód s identickými optickými vlastnosťami. Systém je možné používať až do šírky pásma približne 200 kHz. Vlastnosti linearity a driftu potom zodpovedajú charakteristikám 8-bitového D / A prevodníka s chybou linearity ± 1 bit. Na obrázku vyššie je vstup riadený signálom U_in. Spätnoväzbová foto dióda dodáva prúd I_p1, ktorý preteká cez R1. Pretože tento odpor je tiež pripojený k invertujúcemu vstupu OP1:

I_p1 = U_in / R1

Veľkosť tohto prúdu je priamo úmerná prenosu spätnej väzby (K1) krát prúdu LED, takže:

[U_in / R1] = [K1 x I_F] (vzorec 1)

Operačný zosilňovač bude dodávať dióde LED také napätie, aké je potrebné na vyrovnanie napätia na oboch vstupoch OP1. Fotodióda výstupu je pripojená k neinvertujúcemu napäťovému sledovaču OP2. Konverzia prúdu na napätie sa uskutočňuje pomocou záťažového odporu R3 fotodiódy. Výstupné napätie zosilňovača je súčinom faktora zosilnenia (K2) a prúdu LED diódy a zaťaženia fotodiódy, takže:

U_out = AK x K2 x R2 (vzorec 2)

Zo vzorcov 1 a 2 teda vyplýva, že celkový prenosový zisk (U_out / U_in) sa rovná pomeru súčinu zosilnenia (K2) a odporu záťaže fotodiódy (R3) a súčinu spätnej väzby prenos (K1) krát vstupný odpor (R1):

[U_out / U_in] = [K2 x R2] / [K1 x R1]

Celkový prenosový zisk je teda úplne nezávislý na prúde cez LED.