Что такое оптрон, как работает, основные характеристики и где применяется

Пара «оптический излучатель – оптический приёмник» давно применяется в электронике и электротехнике. Электронный компонент, в котором приёмник и передатчик расположены в одном корпусе и между ними имеется связь по оптическому каналу, называется оптроном или оптопарой.

Устройство оптрона

Оптрон состоит из оптического передатчика (излучателя), оптического канала и приёмника оптического сигнала. Фотопередатчик преобразовывает электрический сигнал в оптический. Передатчиком в большинстве случаев служит светодиод (в ранних моделях применялись лампы накаливания или неоновые лампочки). Применение LED непринципиально, но они долговечнее и надежнее.

Оптический сигнал передаётся по оптическому каналу к приёмнику. Канал бывает закрытым – когда излучённый передатчиком свет не выходит за пределы корпуса оптрона. Тогда сигнал, сформированный приёмником, синхронизирован с сигналом на входе передатчика. Такие каналы бывают воздушными или заполненными специальным оптическим компаундом. Также есть «длинные» оптроны, каналом в которых служит оптоволокно.

Если оптрон сконструирован так, что генерируемое излучение, перед тем как попасть на приёмник, покидает пределы корпуса, такой канал называется открытым. С его помощью можно регистрировать препятствия, возникающие на пути светового луча.

Фотоприёмник производит обратное преобразование оптического сигнала в электрический. В качестве приёмника чаще всего применяются:

1. Фотодиоды. Обычно применяются в цифровых линиях связи. Линейный участок у них невелик.
2. Фоторезисторы. Их особенность – двусторонняя проводимость приёмника. Ток через резистор может идти в любом направлении.
3. Фототранзисторы. Особенностью таких приборов является возможность управления током транзистора как посредством оптопередатчика, так и по выходной цепи. Используются как в линейном, так и в цифровом режиме. Отдельный тип оптронов – с параллельно-встречно включенными полевыми транзисторами. Такие устройства называются твердотельными реле.
4. Фототиристоры. Такие оптроны отличаются повышенной мощностью выходных цепей и скоростью их переключения, подобные устройства удобно применять в управлении элементами силовой электроники. Эти устройства также относятся к категории твердотельных реле.

Распространение получили оптронные микросхемы – сборки оптронов с обвязкой в одном корпусе. Такие оптроны используют, как переключающие устройства и в других целях.

Достоинства и недостатки

Первое достоинство, которое отмечают у оптических приборов, это отсутствие механических частей. Это значит, что при работе не возникает трения, износа, искрения контактов, как у электромеханических реле. В отличие от других устройств для гальванической развязки сигналов (трансформаторов и т.п.) оптроны могут работать с очень низкими частотами, включая постоянный ток.

Кроме того, плюсом оптических развязок является очень низкая емкостная и индуктивная связь между входом и выходом. За счёт этого снижается вероятность передачи импульсных и высокочастотных помех. Отсутствие механической и электрической связи между входом и выходом обеспечивает возможность разнообразных технических решений по созданию схем бесконтактного управления и коммутации.

Несмотря на ограничение в реальных конструкциях по напряжению и по току для входа и выхода, в теории не существует принципиальных препятствий для увеличения этих характеристик. Это позволяет создавать оптроны практически под любые задачи.

К минусам оптронов относят одностороннюю передачу сигналов – нельзя передать оптический сигнал от фотоприёмника обратно к передатчику. Это затрудняет организацию обратной связи соответствия реакции приемной цепи на сигнал передатчика.

На реакцию приёмной части можно влиять не только изменением излучения передатчика, но и воздействием на состояние канала (появлением сторонних предметов, изменением оптических свойств среды канала и т.д.). Такое воздействие может быть и неэлектрического характера. Это расширяет возможности использования оптронов. А нечувствительность к внешним электромагнитным полям позволяет создавать каналы передачи данных с высокой помехозащищенностью.

К основному недостатку оптронов относят низкую энергетическую эффективность, связанную с потерями сигнала при двойном преобразовании сигнала. Также минусом считается высокий собственный уровень шумов. Это уменьшает чувствительность оптронов и ограничивает область их применения там, где нужна работа со слабыми сигналами.

При использовании оптронов надо учитывать и влияние температуры на их параметры – оно значительно. Кроме того, к минусам оптопар относят заметную деградацию элементов в процессе эксплуатации и определенную нетехнологичность в производстве, связанную с использованием в одном корпусе различных полупроводниковых материалов.

Характеристики оптронов

Параметры оптронов делятся на две категории:

• характеризующие свойства прибора передавать сигнал;
• характеризующие развязку между входом и выходом.

К первой категории относится коэффициент передачи тока. Он зависит от излучающей способности светодиода, чувствительности приёмника и свойств оптического канала. Этот коэффициент равен отношению выходного тока к входному и для большинства типов оптронов составляет 0,005…0,2. У транзисторных элементов коэффициент передачи может достигать 1.

Если рассматривать оптрон, как четырехполюсник, то его входная характеристика полностью определяется ВАХ оптоизлучателя (светодиода), а выходная – характеристикой приёмника. Проходная же характеристика в целом нелинейна, но некоторые типы оптронов имеют линейные участки. Так, хорошую линейность имеет часть ВАХ диодного оптрона, но этот участок не очень велик.

Резисторные элементы оценивают ещё по отношению темнового сопротивления (при входном токе, равном нулю) к световому. Для тиристорных оптронов важной характеристикой является минимальный ток удержания в открытом состоянии. К значимым параметрам оптрона также относят наибольшую рабочую частоту.

Качество гальванической развязки характеризуют:

• наибольшее напряжение, прикладываемое ко входу и к выходу;
• наибольшее напряжение между входом и выходом;
• сопротивление изоляции между входом и выходом;
• проходная ёмкость.

Последний параметр характеризует способность электрического высокочастотного сигнала просачиваться с входа на выход, минуя оптический канал, через ёмкость между электродами.

Существуют параметры, позволяющие определить возможности входной цепи:

• наибольшее напряжение, которое можно приложить к входным выводам;
• наибольший ток, который может выдержать светодиод;
• падение напряжения на светодиоде при номинальном токе;
• обратное входное напряжение – напряжение обратной полярности, которое может выдержать светодиод.

Для выходной цепи такими характеристиками будут наибольшие допустимые ток и напряжение выхода, а также ток утечки при нулевом входном токе.

Область применения оптронов

Оптроны с закрытым каналом применяются там, где по каким-либо соображениям (электрическая безопасность и т.п.) требуется развязка между источником сигнала и принимающей стороной. Например, в цепях обратной связи импульсных источников питания – сигнал берётся с выхода БП, подается на излучающий элемент, яркость свечения которого зависит от уровня напряжения. С приёмника снимается сигнал, зависящий от выходного напряжения, и подается на регулятор ШИМ.

Фрагмент схемы компьютерного БП с двумя оптронами приведен на рисунке. Верхний оптрон IC2 создает обратную связь, стабилизирующую напряжение. Нижний IC3 работает в дискретном режиме и подает питание на микросхему ШИМ при наличии дежурного напряжения.

Гальванической развязки между источником и приёмником также требуют некоторые стандартные электрические интерфейсы.

Приборы с открытым каналом применяют для создания датчиков обнаружения каких-либо предметов (наличие бумаги в принтере), концевых выключателей, счётчиков (предметов на конвейере, числа зубцов шестерёнки в манипуляторах «мышь») и т.п.

Твердотельные реле применяются там же, где и обычные реле – для коммутации сигналов. Но их распространение сдерживает высокое сопротивление канала в открытом состоянии. Также их применяют в качестве драйверов для элементов силовой твердотельной электроники (мощных полевых или IGBT транзисторов).

Оптрон разработан более полувека назад, но его широкое применение началось после того, как светодиоды стали доступными и недорогими. Сейчас разрабатываются все новые модели оптопар (большей частью, микросхемы на их основе), и область их применения только расширяется.

Чем отличаются аналоговый сигнал от цифрового — примеры использования

Обзор современных протоколов промышленной автоматизации — Modbus, Profinet, EtherCAT и др.

Описание, устройство и принцип работы полевого транзистора

Какие провода бывают — все разновидности кабелей и проводов

Реле времени: типы, применение, принцип работы

Что такое электромагнитное реле, их виды и принцип работы