Оптоизолятор (также называемый оптопарой , фотопарой или оптическим изолятором ) — это электронный компонент , который передает электрические сигналы между двумя изолированными цепями с помощью света. [1] Оптоизоляторы предотвращают воздействие высоких напряжений на систему, принимающую сигнал. [2] Коммерчески доступные оптоизоляторы выдерживают входное-выходное напряжение до 10 кВ [3] и переходные напряжения со скоростью до 25 кВ/ мкс . [4]
Распространенный тип оптоизолятора состоит из светодиода и фототранзистора в одном непрозрачном корпусе. Другие типы комбинаций источник-датчик включают пары светодиод- фотодиод , светодиод - LASCR и лампа - фоторезистор . Обычно оптоизоляторы передают цифровые (вкл.-выкл.) сигналы и могут действовать как электронный переключатель , но некоторые методы позволяют использовать их с аналоговыми сигналами.
Значение оптической связи твердотельного излучателя света с полупроводниковым детектором с целью электрической изоляции было признано в 1963 году Акменкалнсом и др. (патент США 3,417,249). Оптоизоляторы на основе фоторезисторов были представлены в 1968 году. Они являются самыми медленными, но также и самыми линейными изоляторами и до сих пор сохраняют свою нишу на рынке в аудио- и музыкальной индустрии. Коммерциализация светодиодной технологии в 1968–1970 годах вызвала бум в оптоэлектронике , и к концу 1970-х годов отрасль разработала все основные типы оптоизоляторов. Большинство оптоизоляторов на рынке используют биполярные кремниевые фототранзисторные датчики. [5] Они достигают средней скорости передачи данных, достаточной для таких приложений, как электроэнцефалография . [6] Самые быстрые оптоизоляторы используют PIN-диоды в фотопроводящем режиме .
Оптоизолятор содержит источник (излучатель) света, почти всегда светодиод ближнего инфракрасного диапазона (LED), который преобразует электрический входной сигнал в свет, закрытый оптический канал (также называемый диэлектрическим каналом [7] ) и фотодатчик , который обнаруживает входящий свет и либо напрямую генерирует электрическую энергию , либо модулирует электрический ток, текущий от внешнего источника питания. Датчиком может быть фоторезистор , фотодиод , фототранзистор , кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) или симистор . Поскольку светодиоды могут воспринимать свет в дополнение к его излучению, возможна конструкция симметричных двунаправленных оптоизоляторов. Оптосвязанное твердотельное реле содержит фотодиодный оптоизолятор, который управляет силовым выключателем, обычно комплементарной парой МОП-транзисторов . Щелевой оптический переключатель содержит источник света и датчик, но его оптический канал открыт, что позволяет модулировать свет внешними объектами, преграждающими путь свету или отражающими свет в датчик.
Электронное оборудование, а также линии передачи сигналов и электроэнергии могут подвергаться скачкам напряжения, вызванным молнией , электростатическим разрядом , радиочастотными передачами , импульсами переключения (пиками) и возмущениями в электроснабжении. [8] Удаленные удары молнии могут вызывать скачки напряжения до 10 кВ , что в тысячу раз больше пределов напряжения многих электронных компонентов. [9] Цепь также может включать в себя высокие напряжения по своей конструкции, и в этом случае ей необходимы безопасные и надежные средства сопряжения ее высоковольтных компонентов с низковольтными. [10]
Основная функция оптоизолятора — блокировать такие высокие напряжения и переходные напряжения, так что скачок напряжения в одной части системы не нарушит или не разрушит другие части. [2] [11] Исторически эта функция была делегирована изолирующим трансформаторам , которые используют индуктивную связь между гальванически изолированными входными и выходными сторонами. Трансформаторы и оптоизоляторы — это единственные два класса электронных устройств, которые предлагают усиленную защиту — они защищают как оборудование, так и пользователя-человека, работающего с этим оборудованием. [12] Они содержат один физический изоляционный барьер, но обеспечивают защиту, эквивалентную двойной изоляции . [12] Безопасность, испытания и одобрение оптопар регулируются национальными и международными стандартами: IEC 60747-5-2, EN (CENELEC) 60747-5-2, UL 1577, CSA Component Acceptance Notice #5 и т. д. [13] Спецификации оптоизоляторов, публикуемые производителями, всегда соответствуют как минимум одной из этих нормативных баз.
Оптоизолятор соединяет входную и выходную стороны с помощью светового луча, модулированного входным током. Он преобразует полезный входной сигнал в свет, посылает его через диэлектрический канал, улавливает свет на выходной стороне и преобразует его обратно в электрический сигнал. В отличие от трансформаторов, которые передают энергию в обоих направлениях [примечание 3] с очень низкими потерями, оптоизоляторы являются однонаправленными (см. исключения) и не могут передавать мощность . [14] Типичные оптоизоляторы могут только модулировать поток энергии, уже присутствующий на выходной стороне. [14] В отличие от трансформаторов, оптоизоляторы могут передавать постоянный ток или медленно движущиеся сигналы и не требуют согласования импедансов между входной и выходной сторонами. [примечание 4] Как трансформаторы, так и оптоизоляторы эффективны в разрыве контуров заземления , распространенных в промышленном и сценическом оборудовании, вызванных высокими или шумными обратными токами в заземляющих проводах . [15]
Физическая компоновка оптоизолятора зависит в первую очередь от желаемого напряжения изоляции. Устройства, рассчитанные на напряжение менее нескольких кВ, имеют планарную (или сэндвич) конструкцию. [16] Кристалл датчика монтируется непосредственно на выводной рамке своего корпуса (обычно это шестиконтактный или четырехконтактный двухрядный корпус ). [7] Датчик покрыт листом стекла или прозрачного пластика, на который сверху устанавливается кристалл светодиода. [7] Луч светодиода направлен вниз. Чтобы минимизировать потери света, полезный спектр поглощения датчика должен соответствовать выходному спектру светодиода, который почти всегда лежит в ближнем инфракрасном диапазоне. [17] Оптический канал делается настолько тонким, насколько это возможно для желаемого напряжения пробоя . [16] Например, чтобы быть рассчитанным на кратковременные напряжения 3,75 кВ и переходные процессы 1 кВ/мкс, прозрачный полиимидный лист в серии Avago ASSR-300 имеет толщину всего 0,08 мм. [18] Напряжение пробоя планарных сборок зависит от толщины прозрачного листа [16] и конфигурации соединительных проводов, которые соединяют кристаллы с внешними штырьками. [7] Реальное напряжение изоляции внутри схемы дополнительно уменьшается за счет утечки по печатной плате и поверхности корпуса. Правила безопасного проектирования требуют минимального зазора 25 мм/кВ для оголенных металлических проводников или 8,3 мм/кВ для покрытых проводников. [19]
Оптоизоляторы, рассчитанные на напряжение от 2,5 до 6 кВ, используют другую компоновку, называемую силиконовым куполом . [20] Здесь светодиод и кристаллы датчика размещаются на противоположных сторонах корпуса; светодиод загорается в датчике горизонтально. [20] Светодиод, датчик и зазор между ними заключены в каплю или купол из прозрачного силикона . Купол действует как отражатель , удерживая весь рассеянный свет и отражая его на поверхность датчика, сводя к минимуму потери в относительно длинном оптическом канале. [20] В конструкциях с двойной формой пространство между силиконовой каплей («внутренняя форма») и внешней оболочкой («внешняя форма») заполнено темным диэлектрическим компаундом с согласованным коэффициентом теплового расширения . [21]
Самые ранние оптоизоляторы, изначально продававшиеся как световые ячейки , появились в 1960-х годах. Они использовали миниатюрные лампы накаливания в качестве источников света и фоторезисторы на основе сульфида кадмия (CdS) или селенида кадмия (CdSe) (также называемые светозависимыми резисторами, LDR) в качестве приемников. В приложениях, где линейность управления не была важна или где доступный ток был слишком мал для управления лампой накаливания (как это было в случае с ламповыми усилителями), его заменяли неоновой лампой . Эти устройства (или просто их компонент LDR) обычно назывались Vactrols , в честь торговой марки Vactec, Inc. С тех пор торговая марка была обобщена , [примечание 8], но оригинальные Vactrols все еще производятся PerkinElmer . [24] [примечание 9]
Задержка включения и выключения лампы накаливания составляет сотни миллисекунд , что делает лампу эффективным фильтром нижних частот и выпрямителем, но ограничивает практический диапазон частот модуляции несколькими герцами . С появлением светодиодов (LED) в 1968–1970 годах [25] производители заменили лампы накаливания и неоновые лампы светодиодами и достигли времени отклика 5 миллисекунд и частоты модуляции до 250 Гц. [26] Название Vactrol было перенесено на устройства на основе светодиодов, которые по состоянию на 2010 год все еще производятся в небольших количествах. [27]
Фоторезисторы, используемые в оптоизоляторах, основаны на объемных эффектах в однородной пленке полупроводника ; pn-переходы отсутствуют . [28] Уникальные среди фотодатчиков, фоторезисторы являются неполярными устройствами, подходящими как для цепей переменного, так и постоянного тока. [28] Их сопротивление падает обратно пропорционально интенсивности входящего света, от практически бесконечности до остаточного уровня, который может быть всего лишь менее ста Ом . [28] Эти свойства сделали оригинальный Vactrol удобным и дешевым автоматическим регулятором усиления и компрессором для телефонных сетей. Фоторезисторы легко выдерживали напряжение до 400 вольт, [28] что делало их идеальными для управления вакуумными флуоресцентными дисплеями . Другие промышленные приложения включали фотокопировальные аппараты , промышленную автоматику , профессиональные приборы для измерения освещенности и автоматические экспонометры . [28] Большинство из этих приложений сейчас устарели, но резистивные оптоизоляторы сохранили свою нишу на аудиорынках, в частности на рынках гитарных усилителей .
Американские производители гитар и органов 1960-х годов приняли резистивный оптоизолятор как удобный и дешевый модулятор тремоло . Ранние эффекты тремоло Fender использовали две вакуумные лампы ; после 1964 года одна из этих ламп была заменена оптопарой, сделанной из LDR и неоновой лампы. [29] На сегодняшний день Vactrol, активируемые нажатием педали примочки, повсеместно распространены в музыкальной индустрии. [30] Нехватка настоящих Vactrol PerkinElmer заставила сообщество DIY -гитаристов «свернуть свои собственные» резистивные оптоизоляторы. [31] Гитаристы на сегодняшний день предпочитают оптоизолированные эффекты, потому что их превосходное разделение аудио и управляющих заземлений приводит к «изначально высокому качеству звука». [31] Однако искажение , вносимое фоторезистором в сигнал линейного уровня, выше, чем у профессионального электрически связанного усилителя, управляемого напряжением . [32] Производительность еще больше ухудшается из-за медленных колебаний сопротивления из-за световой истории, эффекта памяти, присущего соединениям кадмия . Такие колебания требуют часов для стабилизации и могут быть лишь частично компенсированы обратной связью в цепи управления. [33]
Диодные оптоизоляторы используют светодиоды в качестве источников света и кремниевые фотодиоды в качестве датчиков. Когда фотодиод обратно смещен внешним источником напряжения, входящий свет увеличивает обратный ток, протекающий через диод. Сам диод не генерирует энергию; он модулирует поток энергии от внешнего источника. Этот режим работы называется фотопроводящим режимом . Альтернативно, при отсутствии внешнего смещения диод преобразует энергию света в электрическую энергию , заряжая свои клеммы до напряжения до 0,7 В. Скорость заряда пропорциональна интенсивности входящего света. Энергия собирается путем отвода заряда через внешний высокоомный путь; коэффициент передачи тока может достигать 0,2%. [22] Этот режим работы называется фотоэлектрическим режимом .
Самые быстрые оптоизоляторы используют PIN-диоды в фотопроводящем режиме. Время отклика PIN-диодов лежит в субнаносекундном диапазоне; общая скорость системы ограничена задержками в выходе светодиодов и в схеме смещения. Чтобы минимизировать эти задержки, быстрые цифровые оптоизоляторы содержат собственные драйверы светодиодов и выходные усилители, оптимизированные для скорости. Эти устройства называются полнологическими оптоизоляторами : их светодиоды и датчики полностью инкапсулированы в цифровой логической схеме. [34] Семейство устройств Hewlett-Packard 6N137/HPCL2601, оснащенных внутренними выходными усилителями, было представлено в конце 1970-х годов и достигло скорости передачи данных 10 Мбод . [35] Он оставался отраслевым стандартом до появления семейства 50 Мбод Agilent Technologies [примечание 10] 7723/0723 в 2002 году. [36] Оптоизоляторы серии 7723/0723 содержат драйверы светодиодов КМОП и буферизованные усилители КМОП , для которых требуются два независимых внешних источника питания по 5 В каждый. [37]
Фотодиодные оптоизоляторы могут использоваться для сопряжения аналоговых сигналов, хотя их нелинейность неизменно искажает сигнал . Специальный класс аналоговых оптоизоляторов, представленный Burr-Brown, использует два фотодиода и операционный усилитель на входе для компенсации нелинейности диода. Один из двух идентичных диодов подключается в цепь обратной связи усилителя, что поддерживает общий коэффициент передачи тока на постоянном уровне независимо от нелинейности во втором (выходном) диоде. [38]
Новая идея конкретного оптического аналогового изолятора сигнала была представлена 3 июня 2011 года. Предлагаемая конфигурация состоит из двух различных частей. Одна из них передает сигнал, а другая устанавливает отрицательную обратную связь, чтобы гарантировать, что выходной сигнал имеет те же характеристики, что и входной сигнал. Этот предлагаемый аналоговый изолятор является линейным в широком диапазоне входного напряжения и частоты. [39] Однако линейные оптопары, использующие этот принцип, доступны уже много лет, например, IL300. [40]
Твердотельные реле, построенные на основе переключателей MOSFET , обычно используют фотодиодный оптоизолятор для управления переключателем. Затвор MOSFET требует относительно небольшого общего заряда для включения, а его ток утечки в устойчивом состоянии очень мал. Фотодиод в фотогальваническом режиме может генерировать заряд включения за достаточно короткое время, но его выходное напряжение во много раз меньше порогового напряжения MOSFET . Для достижения требуемого порога твердотельные реле содержат стопки до тридцати фотодиодов, соединенных последовательно. [21]
Фототранзисторы по своей природе медленнее фотодиодов. [41] Самый ранний и самый медленный, но все еще распространенный оптоизолятор 4N35, например, имеет время нарастания и спада 5 мкс на нагрузке 100 Ом [42] , а его полоса пропускания ограничена примерно 10 килогерц — достаточно для таких приложений, как электроэнцефалография [6] или широтно-импульсное управление двигателем . [43] Такие устройства, как PC-900 или 6N138, рекомендованные в оригинальной спецификации цифрового интерфейса музыкальных инструментов 1983 года [44], позволяют передавать цифровые данные со скоростью в десятки килобод. [45] Фототранзисторы должны быть правильно смещены и загружены для достижения их максимальной скорости, например, 4N28 работает на частоте до 50 кГц с оптимальным смещением и менее 4 кГц без него. [46]
Проектирование с транзисторными оптоизоляторами требует щедрых допусков для широких колебаний параметров, обнаруженных в коммерчески доступных устройствах. [46] Такие колебания могут быть разрушительными, например, когда оптоизолятор в контуре обратной связи преобразователя постоянного тока в постоянный ток изменяет свою передаточную функцию и вызывает паразитные колебания, [20] или когда неожиданные задержки в оптоизоляторах вызывают короткое замыкание через одну сторону H-моста . [47] Технические описания производителей обычно содержат только худшие значения для критических параметров; фактические устройства превосходят эти худшие оценки непредсказуемым образом. [46] Боб Пиз заметил, что коэффициент передачи тока в партии 4N28 может варьироваться от 15% до более чем 100%; в техническом описании указано только минимальное значение 10%. Бета транзистора в одной и той же партии может варьироваться от 300 до 3000, что приводит к дисперсии полосы пропускания 10:1 . [46]
Оптоизоляторы, использующие полевые транзисторы (FET) в качестве датчиков, встречаются редко и, как и вактролы, могут использоваться в качестве аналоговых потенциометров с дистанционным управлением при условии, что напряжение на выходном выводе FET не превышает нескольких сотен мВ. [38] Оптоизоляторы включаются без инжекции коммутационного заряда в выходную цепь, что особенно полезно в схемах выборки и хранения . [11]
Все описанные до сих пор оптоизоляторы являются однонаправленными. Оптический канал всегда работает в одну сторону, от источника (светодиода) к датчику. Датчики, будь то фоторезисторы, фотодиоды или фототранзисторы, не могут излучать свет. [примечание 11] Но светодиоды, как и все полупроводниковые диоды, [примечание 12] способны обнаруживать входящий свет, что делает возможным создание двухстороннего оптоизолятора из пары светодиодов. Простейший двунаправленный оптоизолятор представляет собой просто пару светодиодов, размещенных лицом к лицу и удерживаемых вместе термоусадочной трубкой . При необходимости зазор между двумя светодиодами можно расширить с помощью вставки из стекловолокна . [48]
Светодиоды видимого спектра имеют относительно низкую эффективность передачи, поэтому светодиоды GaAs , GaAs:Si и AlGaAs:Si ближнего инфракрасного спектра являются предпочтительным выбором для двунаправленных устройств. Двунаправленные оптоизоляторы, построенные на основе пар светодиодов GaAs:Si, имеют коэффициент передачи тока около 0,06% как в фотоэлектрическом , так и в фотопроводящем режиме — меньше, чем изоляторы на основе фотодиодов, [49], но достаточно практичны для реальных приложений. [48]
Обычно оптопары имеют закрытую парную конфигурацию. Эта конфигурация относится к оптопарам, заключенным в темный контейнер, в котором источник и датчик обращены друг к другу.
Некоторые оптопары имеют конфигурацию щелевого соединителя/прерывателя . Эта конфигурация относится к оптопарам с открытым слотом между источником и датчиком, который может влиять на входящие сигналы. Конфигурация щелевого соединителя/прерывателя подходит для обнаружения объектов, обнаружения вибрации и коммутации без дребезга.
Некоторые оптопары имеют конфигурацию отражающей пары . Эта конфигурация относится к оптопарам, которые содержат источник, который излучает свет, и датчик, который обнаруживает свет только тогда, когда он отражается от объекта. Конфигурация отражающей пары подходит для разработки тахометров, детекторов движения и мониторов отражения.
Последние две конфигурации часто называют оптосенсорами или фотоэлектрическими датчиками .
Медиа, связанные с оптоизоляторами на Wikimedia Commons