Spis treści:
Optoizolátory – na první pohled složitý název a alternativní název, optočlen, se mi nezdá vůbec přístupnější. Ukazuje se však, že princip jejich fungování není vůbec těžké pochopit. Jakmile si uvědomíte, že jde o dvě části: optiku a izolaci, je to celkem jednoduché, a když se zeptáte, jak fungují, snadno zjistíte, o co jde.
Optoizolátor, optočlen - co to je a jak funguje?
Polovodičová elektronická součástka se skládá z polovodičů, jako je křemík nebo germanium. Teoreticky se jedná o jednu rodinu s polovodičovými relé; v praxi se optočleny používají pro aplikace s poměrně nízkou spotřebou energie a klasická polovodičová relé se používají tam, kde je spotřeba vyšší (napěťové úrovně až stovky voltů a více a proudové úrovně desítky ampérů a více). Optočlen obsahuje fotoemitor neboli prvek vyzařující světlo. Příkladem fotoemitoru je světelná dioda LED. Obsahuje také fotodetektor – přijímací prvek. Obvykle se jedná o fotodiodu nebo fototranzistor. Obě tyto součásti jsou umístěny v jednom pouzdře.
Dioda pracuje v blízké infračervené oblasti – je málo tlumená atmosférou, a proto je vhodná pro vedení přenosů. Dioda převádí přicházející elektrický signál na světlo, uzavřený optický kanál (nazývaný také dielektrický kanál) a fotosenzor, který detekuje přicházející světlo. Pak buď přímo vyrábí elektřinu, nebo moduluje elektrický proud tekoucí z externího zdroje. Senzorem, tj. výše uvedeným fotodetektorem, může být fotorezistor, fotodioda, fototranzistor, křemíkem řízený usměrňovač (SCR) nebo triak. A protože LED diody mohou kromě vyzařování světla také světlo snímat, je možné sestrojit symetrické obousměrné optočleny. Optické polovodičové relé obsahuje optoizolátor s fotodiodou, která ovládá výkonový spínač, obvykle komplementární dvojici tranzistorů MOSFET. Štěrbinový optický spínač obsahuje zdroj světla a senzor, ale jeho optický kanál je otevřený, což umožňuje modulaci světla vnějšími objekty, které brání světelné cestě nebo odrážejí světlo do senzoru. Toto řešení izoluje oba obvody, zabraňuje napěťovým špičkám a snižuje šum a rušení spojené s komunikačními spoji.
Struktura optoizolátoru
Stavba bude spojena s poněkud podrobnějším popisem provozu. Optoizolátor se v podstatě skládá z diody vyzařující blízké infračervené světlo (LED), fotodiody, fototranzistoru nebo tranzistoru, uzavřeného kanálu a zdroje napájení. Obě součásti jsou obvykle uzavřeny v neprůhledném pouzdře, aby se zabránilo rušení vyzařovaného paprsku vnějším světlem, a umístěny v pouzdře podobném integrovanému obvodu nebo tranzistoru s dalšími vývody. Napětí z primárního obvodu se přivádí na zdroj energie a vytváří paprsek blízkého infračerveného světla, který prochází uzavřeným kanálem, dokud nedopadne na fototranzistor, který přeměňuje optickou energii na elektrickou. Protože LED a fototranzistor nebo fotodioda jsou oddělené a nemají přímé elektrické spojení, zařízení zajišťuje izolaci obou částí obvodu a zároveň umožňuje přenos elektrické energie z jedné části do druhé.
Obr. 1 – symbol optočlenu na schématech zapojení
Existuje nespočet typů a kritérií pro dělení optoizolátorů – úplné kompendium by připomínalo spíše encyklopedický článek než článek na blogu. Uveďme proto dva hlavní typy optoizolátorů založené na světelně citlivém zařízení a jejich konfiguraci.
- Fotodioda: používá LED diody jako zdroje světla a křemíkové fotodiody jako světelné senzory.
- Fototranzistor: používá fototranzistor jako světelný senzor.
Když světlo z LED “dopadne” na fototranzistor, začne jím protékat proud v závislosti na stavu a době trvání světla. Optoizolátory mnoha různých tvarů a konfigurací jsou navrženy tak, aby umožňovaly izolaci vyšších napětí, než jaká mohou zvládnout pouzdra SMD a DIP. Je třeba pamatovat na vícenásobné optočleny, které obsahují několik izolátorů v jednom pouzdře. To výrazně zjednodušuje montáž a zmenšuje plochu na PCB (desce plošných spojů), kterou musí zabírat galvanické oddělení signálů.
Parametry optoizolátoru
Při prohlídce optoizolátorů je vždy k dispozici technická specifikace. Parametry a specifikace optoizolátorů jsou následující:
- Koeficient přenosu proudu optoizolátoru neboli CTR, jinak známý jako proudový poměr nebo zesílení optoizolátoru. Jedná se o poměr výstupního a vstupního proudu. Liší se v závislosti na typu optočlenu použitého na výstupu.
- Kapacita. U mnoha optočlenů využívajících fototranzistory se tato hodnota pohybuje kolem 250 kHz. Obvykle platí, že čím nižší je hodnota CTR, tím kratší jsou doby náběhu a poklesu, a tedy tím “rychlejší” je optočlen.
- Linearita. Lineární optočlen má navíc identický fotodetektor. Používá se ve zpětné vazbě operačního zesilovače napájejícího fotoemitor a umožňuje linearizaci konverzních charakteristik.
- Maximální výstupní napětí zařízení. Maximální hodnota tranzistorových optočlenů se rovná hodnotě VCE(max) tranzistoru. Optočleny používající jiná výstupní zařízení vyžadují ekvivalentní jmenovitou hodnotu. Ujistěte se, že je zachována dostatečná rezerva – nedoporučuje se provozovat zařízení v blízkosti pádu maximálních jmenovitých hodnot.
- Vstupní proud, tj. proud potřebný pro vstupní vysílací zařízení, jako je LED dioda. Tato hodnota je nezbytná pro volbu sériového odporu použitého k omezení proudu.
Použití optoizolátorů
První optoizolátory pocházejí z 60. let XX století. Jako zdroje světla se používaly miniaturní žárovky a jako přijímače fotorezistory ze sulfidu kadmia (CdS) nebo selenidu kadmia (CdSe) (známé také jako rezistory závislé na světle, LDR). V aplikacích, kde nebyla důležitá linearita regulace nebo kde byl dostupný proud příliš malý na to, aby žárovku poháněl (jako v elektronkových zesilovačích), byla nahrazena doutnavkou. Tato zařízení, nebo jen jejich LDR komponenty, byla běžně označována jako waktroly díky ochranné známce společnosti Vactec, Inc. Američtí výrobci kytar a varhan v 60. letech 20. století. použili odporový optoizolátor jako vhodný a levný modulátor tremola. Brzy se dostala do výbavy legendárních kytar Fender, na které hráli mj. Jimi Hendrix a Eric Clapton. Optoizolátory se dnes hojně používají v napájecích zdrojích, řídicích a monitorovacích systémech, komunikačních a dalších systémech k bezpečnému elektrickému propojení jedné části obvodu s druhou. Tím se spolehlivě zabrání přímému kontaktu vysokonapěťové strany se stranou nižšího napětí a jejímu ovlivňování. Lze ji použít tam, kde je třeba obvody od sebe izolovat z bezpečnostních důvodů nebo z důvodů pravidelnosti, a zároveň mezi nimi musí existovat interakce. Vícenásobné optočleny v pouzdře DIL16 a jednokanálové optočleny v pouzdře DIP4 pro průchozí montáž THT s dokumentací a užitečnými odkazy na knihovny Eagle najdete v internetovém obchodě Botland.
