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 высокого напряжения на систему, принимающую сигнал. [2] Имеющиеся в продаже 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.
Ценность оптического соединения твердотельного излучателя света с полупроводниковым детектором с целью электрической изоляции была признана в 1963 году Акменкалнсом и др. (патент США 3417249). Оптоизоляторы на основе фоторезисторов были представлены в 1968 году. Они являются самыми медленными, но в то же время и наиболее 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 оптоэлектроники , и к концу 1970-х годов в отрасли были разработаны все основные типы оптоизоляторов. В большинстве оптоизоляторов, представленных на рынке, используются биполярные кремниевые фототранзисторы. [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 (СИД), который преобразует входной электрический сигнал в свет, закрытый оптический канал (также называемый диэлектрическим каналом [7] ) и оптоизолятор. фотодатчик , который обнаруживает поступающий свет и либо напрямую генерирует электрическую энергию , либо модулирует электрический ток , протекающий от внешнего источника питания. Датчиком может быть фоторезистор , фотодиод , фототранзистор , кремниевый выпрямитель (SCR) или симистор . Поскольку светодиоды могут не только излучать свет, но и воспринимать его, возможно создание симметричных двунаправленных оптоизоляторов. Твердотельное реле с оптической связью содержит фотодиодный оптоизолятор, который управляет силовым ключом, обычно это дополнительная пара МОП-транзисторов . Щелевой оптический переключатель содержит источник света и датчик, но его оптический канал открыт, что позволяет модулировать свет внешними объектами, препятствующими пути света или отражающими свет в датчик.
Электронное оборудование, а также линии передачи сигналов и электроэнергии могут подвергаться скачкам напряжения, вызванным молнией , электростатическими разрядами , радиочастотными передачами , импульсами переключения (скачками) и возмущениями в электропитании. [8] Удаленные удары молнии могут вызвать скачки напряжения до 10 кВ , что в тысячу раз превышает пределы напряжения многих электронных компонентов. [9] Схема также может включать в себя высокое напряжение по своей конструкции, и в этом случае ей необходимы безопасные и надежные средства взаимодействия ее высоковольтных компонентов с низковольтными. [10]
Основная функция оптоизолятора — блокировать такие высокие напряжения и переходные напряжения, чтобы скачок напряжения в одной части системы не нарушал и не разрушал другие части. [2] [11] Исторически эта функция была делегирована изолирующим трансформаторам , которые используют индуктивную связь между гальванически изолированными входной и выходной сторонами. Трансформаторы и оптоизоляторы — единственные два класса электронных устройств, которые обеспечивают усиленную защиту — они защищают как оборудование, так и человека, работающего с этим оборудованием. [12] Они содержат один физический изолирующий 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, Уведомление о приемке компонентов CSA № 5 и т. д . [ 13] Спецификации оптоизоляторов, публикуемые производителями, всегда соответствуют хотя бы одной из этих нормативных рамок.
Оптоизолятор соединяет входную и выходную стороны лучом света, модулированным входным током. Он преобразует полезный входной сигнал в свет, пропускает его через диэлектрический канал, захватывает свет на выходе 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 сигналы постоянного тока или медленно движущиеся сигналы и не требуют согласования импедансов между входной и выходной сторонами. [примечание 4] Как трансформаторы, так и оптоизоляторы эффективны для разрыва контуров заземления , часто встречающихся в промышленном и сценическом оборудовании, вызванных высокими или шумными обратными токами в заземляющих проводах . [15]
Физическая схема оптоизолятора зависит в первую очередь от желаемого напряжения изоляции. Устройства на напряжение менее нескольких кВ имеют плоскую (или сэндвич-) конструкцию. [16] Кристалл датчика монтируется непосредственно на выводной рамке корпуса (обычно шести- или четырехконтактного двухрядного корпуса ). [7] Датчик закрыт листом стекла или прозрачного пластика, сверху которого находится светодиодный кристалл. [7] Светодиодный луч светится вниз. Чтобы минимизировать потери света, полезный спектр поглощения датчика должен соответствовать выходному спектру светодиода, который почти всегда находится в ближней инфракрасной области. [17] Оптический канал делается максимально тонким для достижения желаемого напряжения пробоя . [16] Например, для кратковременного напряжения 3,75 кВ и переходных процессов 1 кВ/мкс толщина прозрачного полиимидного листа в серии Avago ASSR-300 составляет всего 0,08 мм. [18] Напряжения пробоя планарных сборок зависят от толщины прозрачного листа [16] и конфигурации соединительных проводов, соединяющих кристаллы с внешними выводами. [7] Реальное внутрисхемное изоляционное напряжение дополнительно снижается 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 проводников с покрытием. [19]
Оптоизоляторы, рассчитанные на напряжение от 2,5 до 6 кВ, имеют другую конструкцию, называемую силиконовым куполом . [20] Здесь светодиод и сенсорные матрицы расположены на противоположных сторонах корпуса; светодиод горит на 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 соответствующим коэффициентом теплового расширения . [21]
Самые ранние оптоизоляторы, первоначально продававшиеся как легкие элементы , 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 питания лампы накаливания (как это было в ламповых усилителях), ее заменяли неоновой лампой . Эти устройства (или просто их компонент LDR) обычно назывались Vactrols в честь товарного знака Vactec, Inc. С тех пор товарный знак был обобщен , [примечание 8] , но оригинальные Vactrols до сих пор 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 в 1968–1970 годах светодиодов (СИД) [25] производители заменили лампы накаливания и неоновые лампы на светодиоды и добились 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 переходов нет . [28] Уникальность фотосенсоров заключается в том, что фоторезисторы представляют собой неполярные устройства, подходящие для цепей переменного или постоянного тока. [28] Их сопротивление падает обратно пропорционально интенсивности падающего света: от практически бесконечности до минимального значения, которое может составлять 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 применения включали копировальные аппараты , промышленную автоматизацию , профессиональные приборы для измерения освещенности и автоэкспонометры . [28] Большинство этих приложений в настоящее время устарели, но резистивные оптоизоляторы сохранили свою нишу на рынках аудио, в частности гитарных усилителей .
Американские производители гитар и органов 1960-х годов использовали резистивный оптоизолятор как удобный и дешевый модулятор тремоло . В ранних эффектах тремоло Fender использовались две вакуумные лампы ; после 1964 года одну из этих трубок заменили оптопарой из ЛДР и неоновой лампы. [29] На сегодняшний день Vactrols, активируемые нажатием педали педали , повсеместно распространены в музыкальной индустрии. [30] Нехватка оригинальных PerkinElmer Vactrol вынудила любителей гитар DIY «создать свои собственные» резистивные оптоизоляторы. [31] Гитаристы на сегодняшний день предпочитают оптоизолированные эффекты, потому что их превосходное разделение аудио и управляющих площадок приводит к «неотъемлемо высокому качеству звука». [31] Однако искажение , вносимое фоторезистором в сигнал линейного уровня , выше, чем у профессионального усилителя с электрической связью, управляемого напряжением . [32] Производительность еще больше ухудшается из-за медленных колебаний сопротивления из-за легкой истории - эффекта памяти , присущего соединениям кадмия . Для стабилизации таких колебаний требуются часы, и их можно лишь частично компенсировать с помощью обратной связи в цепи управления. [33]
Диодные оптоизоляторы используют светодиоды в качестве источников света и кремниевые фотодиоды в качестве датчиков. Когда фотодиод смещен в обратном направлении 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 , заряжая свои выводы до напряжения до 0,7 В. Скорость заряда пропорциональна интенсивности падающего света. Энергия собирается путем отвода заряда через внешний канал с высоким сопротивлением; коэффициент передачи тока может достигать 0,2%. [22] Этот режим работы называется фотоэлектрическим режимом .
В самых быстрых оптоизоляторах используются PIN-диоды в фотопроводящем режиме. Время срабатывания PIN-диодов находится в субнаносекундном диапазоне; общая скорость системы ограничена задержками в выходе светодиодов и схемами смещения. Чтобы минимизировать эти задержки, быстрые цифровые оптоизоляторы содержат собственные драйверы светодиодов и выходные усилители, оптимизированные по скорости. Эти устройства называются полными логическими оптоизоляторами : их светодиоды и датчики полностью заключены в цифровую логическую схему. [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 в 2002 году семейства Agilent Technologies 7723/0723 с пропускной способностью 50 МБд [примечание 10] . [36] Оптоизоляторы серии 7723/0723 содержат драйверы светодиодов CMOS и буферные усилители CMOS , которые потребуются два независимых внешних источника питания по 5 В каждый. [37]
Фотодиодные оптоизоляторы можно использовать для сопряжения аналоговых сигналов, хотя их нелинейность неизменно искажает сигнал . Особый класс аналоговых оптоизоляторов, представленный Берр-Брауном, использует два фотодиода и операционный усилитель на входе для компенсации нелинейности диода. Один из двух идентичных диодов подключен к контуру обратной связи усилителя, который поддерживает общий коэффициент передачи тока на постоянном уровне независимо от нелинейности второго (выходного) диода. [38]
Новая идея конкретного оптического аналогового изолятора сигналов была представлена 3 июня 2011 года. Предлагаемая конфигурация состоит из двух разных частей. Один из них передает сигнал, а другой устанавливает отрицательную обратную связь, чтобы гарантировать, что выходной сигнал имеет те же характеристики, что и входной сигнал. 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. Для открытия затвора МОП-транзистора требуется относительно небольшой общий заряд , и его ток утечки в установившемся состоянии очень мал. Фотодиод в фотоэлектрическом режиме может генерировать заряд включения за достаточно короткое время, но его выходное напряжение во много раз меньше порогового напряжения МОП-транзистора . Чтобы достичь необходимого порога, твердотельные реле содержат блоки из тридцати фотодиодов, соединенных последовательно. [21]
Фототранзисторы по своей природе медленнее, чем фотодиоды. [41] Например, самый ранний и самый медленный, но все еще распространенный оптоизолятор 4N35 имеет время нарастания и спада 5 мкс при нагрузке 100 Ом [42] , а его полоса пропускания ограничена примерно 10 килогерцами, что 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], обеспечивают скорость передачи цифровых данных в десятки кбод. [45] Фототранзисторы должны быть правильно смещены и нагружены для достижения максимальных скоростей, например, 4N28 работает на частоте до 50 кГц с оптимальным смещением и менее 4 кГц без него. [46]
Проектирование с использованием транзисторных оптоизоляторов требует значительных допусков на широкие колебания параметров, встречающихся в коммерчески доступных устройствах. [46] Такие колебания могут быть разрушительными, например, когда оптоизолятор в цепи обратной связи преобразователя постоянного тока изменяет свою передаточную функцию и вызывает паразитные колебания, [20] или когда неожиданные задержки в оптоизоляторах вызывают короткое замыкание на одной стороне Н-моста . [47] В таблицах данных производителей обычно приводятся только наихудшие значения критических параметров; реальные устройства непредсказуемым образом превосходят эти оценки наихудшего случая. [46] Боб Пиз заметил, что коэффициент передачи тока в партии 4N28 может варьироваться от 15% до более чем 100%; в таблице данных указано только минимум 10%. Бета-версия транзисторов в одной партии может варьироваться от 300 до 3000, что приводит к отклонению 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 выходной клемме полевого транзистора не превышает нескольких сотен мВ. [38] Опто-транзисторы включаются без введения переключающего заряда в выходную цепь, что особенно полезно в схемах выборки и хранения . [11]
Все оптоизоляторы, описанные до сих пор, 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 построение двустороннего оптоизолятора из пары светодиодов. Простейший двунаправленный оптоизолятор представляет собой просто пару светодиодов, расположенных друг напротив друга и скрепленных термоусадочной трубкой . При необходимости расстояние между двумя светодиодами можно увеличить с помощью вставки из стекловолокна . [48]
Светодиоды видимого спектра имеют относительно низкую эффективность передачи, поэтому светодиоды GaAs ближнего инфракрасного спектра , GaAs:Si и AlGaAs:Si 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 конфигурацию закрытой пары . 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 . Данная конфигурация относится к оптронам с открытой щелью между источником и датчиком, имеющим возможность влиять на входящие сигналы. Конфигурация щелевого соединителя/прерывателя подходит для обнаружения объектов, обнаружения вибрации и переключения без дребезга.
Некоторые оптопары имеют конфигурацию отражающей пары . Эта конфигурация относится к оптронам, которые содержат источник, излучающий 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 .
СМИ, связанные с оптоизоляторами, на Викискладе?