La coppia trasmettitore ottico - ricevitore ottico è stata a lungo utilizzata in elettronica e ingegneria elettrica. Un componente elettronico in cui il ricevitore e il trasmettitore si trovano nello stesso involucro e c'è una comunicazione ottica tra loro è chiamato optoaccoppiatore o optocoupler.
Contenuto
Optron Design
Gli Optrons consistono in un trasmettitore ottico (emettitore), un canale ottico e un ricevitore ottico. Il trasmettitore di luce converte un segnale elettrico in un segnale ottico. Il trasmettitore è nella maggior parte dei casi un LED (i primi modelli usavano lampadine a incandescenza o al neon). L'uso dei LED non è cruciale, ma sono più durevoli e affidabili.
Il segnale ottico è trasmesso attraverso un canale ottico al ricevitore. Il canale può essere chiuso - quando la luce emessa dal trasmettitore non lascia il corpo dell'optoaccoppiatore. Il segnale generato dal ricevitore è quindi sincronizzato con il segnale all'ingresso del trasmettitore. Questi canali possono essere pieni d'aria o riempiti con un composto ottico speciale. Ci sono anche optoaccoppiatori "lunghi" dove il canale è fibra ottica.
Se l'optoaccoppiatore è progettato in modo che la radiazione generata lasci l'involucro prima di raggiungere il ricevitore, è chiamato un canale aperto. Può essere utilizzato per rilevare gli ostacoli nel percorso del fascio di luce.
Il fotorilevatore riconverte il segnale ottico in un segnale elettrico. I ricevitori più comunemente usati sono:
- Fotodiodi. Tipicamente usato nelle linee di comunicazione digitale. Hanno una piccola portata lineare.
- Fotoresistori. La loro caratteristica speciale è la conduttività bidirezionale del ricevitore. La corrente può scorrere attraverso il resistore in entrambe le direzioni.
- Fototransistor. Una caratteristica di questi dispositivi è la capacità di controllare la corrente del transistor attraverso l'opto-transistor, così come attraverso il circuito di uscita. Sono utilizzati sia in modalità lineare che digitale. Un tipo a parte di optoaccoppiatori sono quelli con transistor a effetto campo commutati in parallelo. Questi dispositivi sono chiamati Relè allo stato solido.
- Fototristori. Questi optoaccoppiatori sono caratterizzati da una maggiore potenza di uscita e velocità di commutazione, e sono utili per il controllo dell'elettronica di potenza. Questi dispositivi sono anche classificati come relè allo stato solido.
I microcircuiti optoaccoppiatori comunemente usati sono gruppi di optoaccoppiatori con interconnessioni di optoaccoppiatori nello stesso pacchetto. Gli optoaccoppiatori sono utilizzati come dispositivi di commutazione e per altri scopi.
Vantaggi e svantaggi
Il primo vantaggio degli optoaccoppiatori è che non hanno parti meccaniche. Questo significa che durante il funzionamento, non c'è attrito, usura o scintillazione dei contatti come nei relè elettromeccanici. A differenza di altri dispositivi di isolamento galvanico del segnale (trasformatori ecc.) gli optoaccoppiatori possono funzionare a frequenze molto basse, compresa la corrente continua.
Inoltre, il vantaggio degli isolatori ottici è l'accoppiamento capacitivo e induttivo molto basso tra ingresso e uscita. Questo riduce la probabilità di trasmissione di impulsi e di interferenze ad alta frequenza. L'assenza di accoppiamento meccanico ed elettrico tra l'ingresso e l'uscita offre una vasta gamma di soluzioni tecniche per il controllo senza contatto e i circuiti di commutazione.
Anche se i progetti del mondo reale sono limitati in termini di tensione e corrente per l'ingresso e l'uscita, non ci sono ostacoli teorici fondamentali per aumentare queste caratteristiche. Questo rende possibile progettare optoaccoppiatori per quasi tutte le applicazioni.
Uno degli svantaggi degli optoaccoppiatori è la trasmissione unidirezionale dei segnali - non è possibile trasmettere un segnale ottico dal fotorilevatore al trasmettitore. Questo rende difficile abbinare il feedback del circuito del ricevitore al segnale del trasmettitore.
La risposta della parte ricevente può essere influenzata non solo cambiando l'emissione del trasmettitore, ma anche influenzando lo stato del canale (comparsa di oggetti estranei, cambiamenti nelle proprietà ottiche del mezzo del canale, ecc.) Tale influenza può anche essere di natura non elettrica. Questo amplia le possibilità di utilizzo degli optoaccoppiatori. L'insensibilità ai campi elettromagnetici esterni permette di creare canali di dati con un'alta immunità al rumore.
Lo svantaggio principale degli optoaccoppiatori è la bassa efficienza energetica dovuta alle perdite di segnale associate alla doppia conversione del segnale. Anche considerato uno svantaggio è l'alto livello di rumore intrinseco. Questo riduce la sensibilità degli optoaccoppiatori e limita l'applicazione ai segnali deboli.
Quando si usano gli optoaccoppiatori, bisogna anche tener conto dell'influenza della temperatura sui loro parametri - è significativa. Inoltre, gli svantaggi degli optoaccoppiatori includono una notevole degradazione degli elementi durante il funzionamento e una certa mancanza di tecnologia nella produzione associata all'uso di diversi materiali semiconduttori in un pacchetto.
Caratteristiche dell'optoaccoppiatore
Le specifiche degli optoaccoppiatori sono divise in due categorie:
- Caratterizzare le proprietà del dispositivo per trasmettere un segnale;
- caratterizzando il disaccoppiamento tra ingresso e uscita.
La prima categoria è il coefficiente di trasferimento di corrente. Dipende dall'emissività del LED, dalla sensibilità del ricevitore e dalle proprietà del canale ottico. Questo è il rapporto tra la corrente di uscita e la corrente di ingresso e per la maggior parte dei tipi di optoaccoppiatori è da 0,005 a 0,2. I transistor possono avere un guadagno fino a 1.
Se si considera un optoaccoppiatore come un quadrupolo, la sua caratteristica di ingresso è determinata interamente dalla caratteristica di uscita dell'optoemettitore (LED) e dalla caratteristica di uscita del ricevitore. La caratteristica di uscita è non lineare in generale, ma alcuni tipi di optoaccoppiatori hanno sezioni lineari. Per esempio, un optoaccoppiatore a diodi ha una buona linearità, ma questa sezione non è molto grande.
Gli elementi di resistenza sono anche valutati dal rapporto tra la resistenza al buio (con una corrente d'ingresso uguale a zero) e la resistenza alla luce. Per gli optoaccoppiatori a tiristori, una caratteristica importante è la corrente minima di mantenimento nello stato aperto. La massima frequenza operativa è anche una caratteristica importante dell'optoaccoppiatore.
La qualità dell'isolamento galvanico è caratterizzata da:
- la maggiore tensione applicata all'ingresso e all'uscita;
- la tensione più alta tra l'ingresso e l'uscita;
- resistenza di isolamento tra ingresso e uscita;
- Capacità di passaggio.
Quest'ultimo parametro caratterizza la capacità di un segnale elettrico ad alta frequenza di passare dall'ingresso all'uscita, bypassando il canale ottico, attraverso la capacità tra gli elettrodi.
Ci sono parametri che determinano la capacità del circuito d'ingresso:
- La massima tensione che può essere applicata ai cavi d'ingresso;
- La corrente più alta che il LED può gestire;
- La caduta di tensione attraverso il LED alla corrente nominale;
- Tensione di ingresso inversa - la tensione di polarità inversa che il LED può gestire.
Per il circuito d'uscita, queste caratteristiche saranno la massima corrente e tensione d'uscita consentite, e la corrente di dispersione a corrente d'ingresso zero.
Applicazioni per gli optoaccoppiatori
Gli optoaccoppiatori a canale chiuso si usano quando per qualche motivo (sicurezza elettrica, ecc.) è richiesto un disaccoppiamento tra la sorgente del segnale e il ricevitore. Per esempio, nei circuiti di feedback di di alimentatori a commutazione - Il segnale viene preso dall'uscita dell'alimentatore, alimentato all'elemento emittente, la cui luminosità dipende dal livello di tensione. Un segnale che dipende dalla tensione di uscita è preso dal ricevitore e alimentato al regolatore PWM.
Un diagramma schematico di un alimentatore per computer con due optoaccoppiatori è mostrato in figura. L'optoaccoppiatore superiore IC2 fornisce il feedback di stabilizzazione della tensione. L'IC3 inferiore funziona in modo discreto e fornisce l'alimentazione all'IC PWM quando è presente la tensione di standby.
L'isolamento galvanico tra sorgente e ricevitore è anche richiesto da alcune interfacce elettriche standard.
I dispositivi a canale aperto sono utilizzati per creare sensori di rilevamento di oggetti (presenza di carta in una stampante), finecorsa, contatori (articoli su un nastro trasportatore, numero di denti di un ingranaggio in un mouse, ecc.
I relè allo stato solido sono usati nello stesso modo dei relè convenzionali - per commutare i segnali. Tuttavia, il loro uso è limitato dall'alta resistenza del canale nello stato aperto. Sono anche usati come driver per elementi dell'elettronica di potenza a stato solido (transistor a effetto campo o IGBT ad alta potenza).
L'optron è stato sviluppato più di mezzo secolo fa, ma è diventato ampiamente utilizzato dopo che i LED sono diventati disponibili e poco costosi. Ora tutti i nuovi modelli di optoaccoppiatori (per lo più microcircuiti basati su di essi) sono stati sviluppati, e il campo di applicazione si sta solo espandendo.
Articoli correlati:
