Opto-Izolator - Opto-isolator

Schematyczny diagram optoizolatora przedstawiający źródło światła (dioda LED) z lewej strony, w barierze dielektrycznej w środku, i czujnik (fototranzystor), po prawej stronie.

Optoizolatora (zwany również optoizolator , transoptora lub izolator optyczny ) jest elektroniczny element przenoszący elektrycznych sygnałów pomiędzy dwoma izolowanymi obwodów za pomocą światła. Opto-izolatory uniknąć wysokich napięć od wpływu na system odbierający sygnał. Komercyjnie dostępne Opto-izolatory wytrzymać input-to-wyjścia napięć do 10  kV i napięcia nieustalonych z prędkością do 25 kV / us .

Powszechnym rodzajem izolatora optycznego składa się z diody LED i fototranzystora w opakowaniu nieprzezroczysta. Inne rodzaje połączeń źródło czujnikowe zawierają pracy LED fotodiodę , pracy LED LASCR i lampy - fotorezystor par. Zazwyczaj opto-izolatory przesyłania danych cyfrowych (on-off) sygnały, ale niektóre techniki pozwalają na ich użycie sygnałów analogowych.

Historia

Wartość optycznie sprzęga się stały stan emiter światła na detektor półprzewodnikowy, w celu izolowania elektrycznego została ujęta w 1963 roku przez Akmenkalns, i in. (Patent US 3417249). Fotorezystor oparte Opto-izolatory zostały wprowadzone w roku 1968. Są to najwolniejszy, ale również najbardziej liniowych izolatorów i nadal zachować niszę rynkową w przemyśle audio i muzycznych. Komercjalizacja technologii LED w 1968-1970 spowodował boom w optoelektronice , a do końca 1970 roku przemysł rozwinął wszystkie główne rodzaje opto-izolatorów. Większość opto-izolatorów na rynku użyciu bipolarne czujniki FOTOTRANZYSTOR krzemu. Osiągają średnią prędkość transferu danych, wystarczającą do zastosowań takich jak elektroencefalografii . Najszybsze Opto-izolatory użyć diody PIN w trybie fotoprzewodzącej .

Operacja

Opto-izolator zawiera źródło (emiter) światła, prawie zawsze bliskiej podczerwieni, emitującą światło diodę (LED), który przekształca sygnał wejściowy elektryczną na światło, zamkniętego kanału optycznego (zwany także dielektryczne Channel) i fotokomórka , która wykrywa światło przychodzące i albo elektryczny generuje energię bezpośrednio lub moduluje prąd elektryczny płynący z zewnętrznego zasilacza. Czujnik może być fotorezystor , A fotodiody , A fototranzystor , A prostownik sterowany krzemu (SCR) lub triak . Ponieważ diody LED może wykrywać światło oprócz emitowania go budowa symetrycznych dwukierunkowych izolatorach optoelektronicznych jest możliwe. Optocoupled przekaźnik półprzewodnikowy zawiera fotodiodę optoizolatora, który napędza się przełącznik zasilania, zwykle komplementarną parą tranzystorów MOSFET . Szczelinowe przełącznik optyczny zawiera źródło światła i czujnika, a jego tor optyczny jest otwarty, co umożliwia modulację światła od obiektów zewnętrznych, blokując ścieżkę światła lub odbijanie światła do czujnika.

izolacja elektryczna

Płaska (na górze) i kopułka silikonowa (na dole) schematy - przekrój przez standardowy podwójny pakietu w linii . Względne rozmiary (czerwona), a czujnik (zielony) przesadzone.

Sprzęt elektroniczny i sygnału i zasilania linii można poddać przepięć indukowane przez piorun , wyładowania elektrostatyczne , transmisji częstotliwości radiowej , zmiany impulsów (skoki) oraz zakłócenia w sieci. Zdalne uderzenia pioruna może wywołać przepięcia do 10  kV , jeden tysiąc razy więcej niż w granicach napięcia wielu elementów elektronicznych. Układ może także zawierać wysokich napięć z projektem, w którym to przypadku wymaga bezpiecznych, niezawodnych sposobów łączenia jego elementów wysokiego napięcia z tych niskonapięciowych.

Główną funkcją w optoizolatora jest blokowanie takiego wysokiego napięcia i nieustalone napięcie tak, że wzrost jednej części systemu nie zakłóci lub zniszczyć inne części. Historycznie, funkcję tę przekazane transformatorów izolacyjnych , wykorzystujących sprzężenie indukcyjne pomiędzy galwanicznie bokach wejścia i wyjścia. Transformatory i opto-izolatory są tylko dwie klasy urządzeń elektronicznych, które oferują wzmocnione zabezpieczenie - chronią zarówno sprzętu i użytkownikowi ludzkiego obsługi tego sprzętu. Zawierają one jeden bariery izolacji fizycznej, ale zapewniają ochronę równą podwójnej izolacji . Bezpieczeństwa, testowanie i zatwierdzanie transoptory są regulowane normami krajowymi i międzynarodowymi: IEC 60747-5-2, EN (CENELEC) 60747-5-2, UL 1577, CSA Komponent Akceptacja Wskazówka nr 5 itd specyfikacji transoptor opublikowane przez producentów zawsze śledzić co najmniej jeden z tych ram regulacyjnych.

Opto-izolacyjny łączy boki wejścia i wyjścia z wiązką światła zmodulowanego o prądzie wejściowym. Przekształca użyteczny sygnał wejściowy na światło, wysyła go przez dielektrycznej kanału, przechwytuje światło na stronie wyjściowej i przekształca ją z powrotem na sygnał elektryczny. W odróżnieniu od transformatorów, które przechodzą energii w obu kierunkach z bardzo niskimi stratami, Opto-izolatory są jednokierunkowe (patrz wyjątki ) i nie mogą przekazywać siłę . Typowe Opto-izolatory mogą tylko modulować przepływ energii już obecny na wyjściu. W odróżnieniu od transformatorów, Opto-izolatory mogą przechodzić DC lub sygnały wolnobieżnych i nie wymagają dopasowania impedancji między stronach wejściowych i wyjściowych. Obydwa transformatory i optoelektronicznych izolatory są skuteczne w rozkładaniu pętli masy , powszechnie stosowanym w urządzeniach przemysłowych oraz etap, w wyniku wysokich lub hałaśliwych prądów powrotnych w przewody uziemiające .

Fizyczny układ opto-izolator zależy głównie od pożądanego napięcia izolacji. Urządzenia ocenione przez mniej niż kilka kV mieć płaski (lub warstwowego). Czujnik matrycy zamontowany jest bezpośrednio na głównej ramie opakowania (zwykle sześć sworzeń lub czteroszpilkowego podwójnego opakowania w jednej linii ). Czujnik jest pokryty arkusz szkła lub przezroczystego tworzywa sztucznego, który jest uzupełniany z matrycy LED. Dioda ogniska wiązki w dół. W celu zminimalizowania strat światła, użyteczne widmo absorpcji czujnika musi być zgodny z widma wyjściowego LED, który niemal zawsze leży w bliskiej podczerwieni. Kanał optyczny jest tak cienki, jak to możliwe dla pożądanego napięcia przebicia . Na przykład, być przystosowany do krótkoterminowych napięciu 3,75 kV Przebiegi 1 kV / us klarowny poliimid arkusz w Avago ASRR-300 serii jest tylko 0,08 mm grubości. Napięcia rozpadu płaskich zespołów zależy od grubości przezroczystego arkusza i konfiguracji przewodów łączących, które łączą się matryce z kołków zewnętrznych. Majątek w obwodzie napięcia izolacja jest dodatkowo zmniejszona przez pełzanie nad PCB oraz powierzchni opakowania. Bezpieczne zasady projektowania wymagają minimalny prześwit 25 mm / kV dla przewodów gołych metalowych lub 8,3 mm / kV dla przewodów powlekanych.

Opto-izolatory ocenione przez 2,5 do 6 kV stosować inny układ nazwie silikonowy kopuły . W tym przypadku, diody i matryce czujników umieszczone są na przeciwległych stronach opakowania; dioda wystrzeliwuje się w pozycji poziomej. LED, czujnik i odstęp między nimi są zamknięte w blob lub kopuły z przezroczystego silikonowego . Kopuła działa jako reflektor , zachowując wszystkie rozproszonego światła i odbijające się na powierzchni matrycy, co minimalizuje straty w stosunkowo długim kanale optycznym. W podwójnej formy wzorów przestrzeń pomiędzy obszarem typu blob silikonowy ( „wewnętrzne formy”) oraz powłokę zewnętrzną ( „formę zewnętrzną”) jest wypełniony ciemnym związku dielektrycznego o dopasowanej współczynniku rozszerzalności cieplnej .

Rodzaje opto-izolatory

Rodzaj urządzenia Źródło światła Typ czujnika Prędkość Obecny współczynnik przenikania
Rezystancyjny optoizolatora
(Vactrol)
Żarowe żarówki CdS albo CdSe fotorezystor (LDR) bardzo niski <100%
lampa neon Niska
GaAs podczerwieni diody Niska
Diody opto-izolator GaAs LED na podczerwień Silicon fotodioda najwyższa 0,1-0,2%
Tranzystor opto-izolator GaAs LED na podczerwień Dwubiegunowe krzemu fototranzystor Średni 2-120%
Darlington fototranzystor Średni 100-600%
Opto-izolowane SCR GaAs LED na podczerwień Krzemu sterowany prostownik Niskie do średniego > 100%
Opto-triak izolowane GaAs LED na podczerwień Triak Niskie do średniego Bardzo wysoko
Przekaźnik półprzewodnikowy Stos diod podczerwonych GaAs Stos fotodiod jazdy
parę tranzystorów MOSFET lub IGBT
Od niskiego do wysokiego praktycznie nieograniczony

Rezystancyjne Opto-izolatory

Najwcześniejsze Opto-izolatory, pierwotnie sprzedawane jako komórki światła , pojawił się w 1960 roku. Są one stosowane miniaturowych żarówek jako źródło światła, a siarczku kadmu (CdS) lub selenek kadmu (CdSe) fotorezystorach (zwanych również rezystory zależne od światła, LDRs) jako odbiorników. W zastosowaniach, gdzie kontrola liniowości nie było ważne, lub jeżeli dostępne obecny jest zbyt niska dla napędzania żarówkę (jak w przypadku wzmacniaczy próżniowe), to zastąpiono neonu . Te urządzenia (lub po prostu ich składnikiem LDR) były powszechnie nazywane Vactrols po znaku towarowym VACTEC, Inc. Znak towarowy został już genericized , ale oryginalne Vactrols są nadal produkowane przez PerkinElmer .

Turn-on i wyłączania lag od żarówek leży w kilkuset milisekund zasięgu, co sprawia, że żarówki skuteczny filtr dolnoprzepustowy i prostownik ale ogranicza praktyczny zakres częstotliwości modulacji do kilku herców . Dzięki wprowadzeniu diod emitujących światło (LED), w 1968-1970, producenci otrzymuje żarowe, lampy neonowe i z diodami LED i osiągnął czas reakcji 5 ms i częstotliwości modulacji do 250 Hz. Nazwa Vactrol przeniesiono w urządzeniach opartych na LED, które są, jak 2010, wciąż produkuje się w małych ilościach.

Fotorezystory stosowane w izolatorach optoelektronicznych opierać się na efektach masowych w jednolitej folii z półprzewodnika ; brak złącza pn . Wyjątkowo wśród photosensors, fotorezystory są urządzeniami niepolarne nadaje się zarówno dla obwodów AC lub DC. Ich odporność na krople odwrotnie proporcjonalne do intensywności padającego światła, praktycznie w nieskończoność do resztkowej podłogi, która może być tak niska, jak mniej niż stu omów . Właściwości te wykonane oryginalny Vactrol wygodny i tani automatycznej regulacji wzmocnienia i sprężarki dla sieci telefonicznych. W fotorezystory łatwo wytrzymał napięcia do 400 V, przez co są one idealne dla jazdy wyświetlacz fluorescencyjny . Inne zastosowania przemysłowe zawarte kserokopiarek , przemysłowej automatyzacji , profesjonalnych przyrządów pomiarowych i lekki metrów automatycznej ekspozycji . Większość z tych aplikacji są już nieaktualne, ale rezystancyjne Opto-izolatory zachowane niszę w dziedzinie audio, w szczególności wzmacniacza gitarowego , rynki.

Amerykańskie gitarowe i organowe producentów 1960 roku objął rezystancyjny transoptor jako wygodnego i taniego tremolo modulatora. Ochraniacza wczesnych efektów tremolo jest stosowane dwie rurki próżniowe ; po 1964 z tych rur zastąpiono transoptora wykonany z LDR i neonu. Do tej pory Vactrols aktywowane przez naciśnięcie pedału Stompbox są wszechobecne w przemyśle muzycznym. Niedobory autentycznych PerkinElmer Vactrols zmusił DIY gitarze społeczności do „toczyć własne” rezystancyjne opto-izolatory. Gitarzyści do tej pory preferują izolowane optycznie efekty, ponieważ ich przełożony oddzielenie dźwiękowych i terenów kontroli wyników w „natury wysoką jakość dźwięku”. Jednakże zakłócenia wprowadzane przez fotorezystor w poziomej linii sygnału jest wyższy od profesjonalnego elektrycznie połączeniu wzmacniacza sterowanego napięciowo . Wydajność jest ponadto naruszona przez powolne zmian rezystancji z uwagi na historię światła , z efektem pamięci związanego z kadmu związków. Takie wahania trwać do odstania i może być tylko częściowo przesunięta sprzężenia zwrotnego w układzie sterowania.

Fotodiody Opto-izolatory

Szybko fotodiody opto-izolator z obwodem wzmacniacza wyjście stronie.

Dioda opto-izolatory wykorzystują diody LED jako źródła światła i krzemowej fotodiody jako czujnika. Gdy fotodioda jest odwrotnie odchylany z zewnętrznego źródła napięcia, padającego światła zwiększa prąd płynący przez odwróconą diody. Sama dioda nie wytwarza energii; moduluje przepływ energii ze źródła zewnętrznego. Ten tryb pracy jest zwany tryb fotoprzewodzącą . Alternatywnie, w nieobecności zewnętrznej polaryzacji dioda przetwarza energię świetlną w energię elektryczną , pobierając jego zaciski napięcia do 0,7 V. Natężenie opłat jest proporcjonalny do natężenia padającego światła. Energia jest zbierana przez odprowadzanie ładunku poprzez zewnętrzną ścieżką wysokiej impedancji; stosunek aktualnego transferu może osiągnąć 0,2%. Ten tryb pracy nazywa tryb fotowoltaiczny .

Najszybsze opto-izolatory wykorzystują diody PIN w trybie fotoprzewodzącej. Czasy reakcji diod PIN leżą w subnanosecond zasięgu; ogólną szybkość systemu jest ograniczona przez opóźnienia w produkcji diod LED i dociskania obwody. Aby zminimalizować te opóźnienia, szybkie cyfrowe Opto-izolatory zawierać swoje własne sterowniki LED i wzmacniacze wyjściowe zoptymalizowane pod kątem szybkości. Urządzenia te nazywane są pełne logicznych opto-izolatory : ich diody i czujniki są w pełni zamknięty w formie układu logicznego. Hewlett-Packard 6N137 / HPCL2601 rodziny urządzeń wyposażonych w wewnętrzne wzmacniaczy wyjściowych wprowadza się w latach 1970 i osiągnął 10  MBD szybkości transmisji danych. Pozostał standard przemysłowy aż do wprowadzenia MBD 50 Agilent Technologies 7723/0723 rodziny w 2002 SERIES 7723/0723 opto-izolatory zawierać CMOS sterowniki diod LED i CMOS buforowane wzmacniacze , które wymaga zastosowania dwóch niezależnych zewnętrznych źródeł zasilania 5 V poszczególnych ,

Fotodioda opto-izolatorów mogą być stosowane do łączenia sygnałów analogowych, chociaż ich nieliniowość zawsze zakłóca sygnału . Specjalna klasa analogowych izolatorach optoelektronicznych wprowadzonych Burr-Brown wykorzystuje dwie fotodiody i jest po stronie wejściowej wzmacniacza operacyjnego , aby skompensować nieliniowość diodowego. Jeden z dwóch identycznych diody jest podłączony do pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza, który utrzymuje całkowitą szybkość przesyłania prądu na stałym poziomie, niezależnie od tego, nieliniowości w drugiej diody (wyjścia).

Nowatorski idea szczególności izolator optyczny sygnału analogowego został złożony dnia 3 czerwca 2011 roku zaproponowano układ składa się z dwóch części. Jednym z nich przenosi sygnał, a drugi tworzy negatywną opinię w celu zapewnienia, że ​​sygnał wyjściowy ma takie same cechy jak sygnał wejściowy. Proponowana izolator analogowy jest liniowy w szerokim zakresie napięcia wejściowego i częstotliwości. Jednakże liniowe sprzęgi opto wykorzystujące tę zasadę są dostępne od wielu lat, na przykład IL300.

Przekaźniki półprzewodnikowe zbudowany wokół MOSFET przełączniki zazwyczaj zatrudniają fotodiody transoptor do prowadzenia przełącznika. Brama MOSFET wymaga stosunkowo niewielką całkowitą opłatę , aby włączyć i jego prąd upływu w stanie stacjonarnym jest bardzo niska. Fotodioda w trybie fotowoltaicznym może generować przełomu w sprawie opłat w rozsądnie krótkim czasie, ale jego wyjście napięcie jest wielokrotnie mniejsza niż MOSFET napięcia progowego . Aby osiągnąć wymagany próg, przekaźniki półprzewodnikowe zawierają stosy do trzydziestu fotodiod połączone szeregowo.

Fototranzystor Opto-izolatory

Fototranzystory są naturalnie wolniejsze niż fotodiod. Najwcześniej i najwolniej ale powszechne 4N35 optoizolatora, na przykład, wzrostu i spadku o 5 us przy obciążeniu 100 omów, a jego pasmo jest ograniczone na poziomie około 10 kHz - odpowiedni do zastosowań, takich jak elektroencefalografii lub sterowanie silnikiem szerokości impulsów , Urządzenia takie jak PC-900 lub 6N138 polecane w oryginalnym 1983 Musical Instrument Digital Interface specyfikacji umożliwiają cyfrowe przesyłanie danych z prędkością kilkudziesięciu kiloBauds. Fototranzystory musi być odpowiednio uprzedzony i nanoszono osiągać maksymalne prędkości, na przykład, 4N28 pracuje z prędkością do 50 kHz optymalnego nastawienia i mniej niż 4 kHz bez niego.

Projekt z tranzystorowych opto-izolatorów wymaga hojne zasiłki dla dużych wahań parametrów występujących w dostępnych na rynku urządzeń. Takie wahania mogą być niszcząca, na przykład, gdy optoizolatora w pętli sprzężenia zwrotnego z przetwornika prądu stałego na stały zmienia swoją funkcję przenoszenia i powoduje zakłócające drgania lub gdy nieoczekiwane opóźnienia optoelektronicznych izolatory powodują zwarcie przez bok o H mostka . Producentów kart katalogowych zwykle wymienić tylko wartości najgorszych scenariuszy dla parametrów krytycznych; Rzeczywiste urządzenia przekroczy te szacunki najgorszych scenariuszy w nieprzewidywalny sposób. Bob Pease zauważyć, że aktualny współczynnik przenikania w partii 4N28 może się zmieniać od 15% do powyżej 100%; arkusz podano tylko co najmniej 10%. Tranzystor P w tej samej partii może się zmieniać od 300 do 3000, w wyniku czego 10: 1 wariancji pasma .

Opto-izolatory wykorzystujące tranzystory polowe (FETs) jak czujniki są rzadkie i jak vactrols, mogą być używane jako zdalnie sterowana potencjometry analogowe pod warunkiem, że napięcie na zacisku wyjściowym FET nie przekracza kilkaset mV. Opto-FET włączyć bez wstrzykiwania ładunek przełączania w obwodzie wyjściowym, co jest szczególnie przydatne w próbce i przytrzymaj obwodów.

Dwukierunkowe Opto-izolatory

Wszystkie Opto-izolatory opisane do tej pory są jednokierunkowe. Kanał optyczny działa zawsze w jedną stronę, od źródła (LED) do czujnika. Czujniki, czy to fotorezystorach, fotodiody, fototranzystory i nie może emitować światło. Jednak LED, tak jak wszystkie diodami półprzewodnikowymi, są zdolne do wykrywania światła przychodzącego, który umożliwia konstrukcję dwukierunkowego optoizolatora z pary diod LED. Najprostszym dwukierunkowy optoizolatora jest jedynie para diod umieszczonych twarzą w twarz i połączonych z rury termokurczliwej . Jeśli to konieczne, różnica między dwoma diodami LED może być przedłużony z wkładką z włókna szklanego .

Widoczne widmo LED ma stosunkowo niską wydajność przenoszenia, a tym samym w pobliżu widma w podczerwieni GaAs , GaAs: Si i AlGaAs SI diody LED są lepiej nadaje się do urządzeń dwukierunkowego. Dwukierunkowe opto-izolatory zbudowane wokół pary GaAs: Si diod aktualny współczynnik przenikania wynosi około 0,06% w obu fotowoltaicznym lub fotoprzewodzącej trybie - mniej niż izolatory fotodiody oparte na, ale na tyle praktyczne rzeczywistych zastosowań.

Typy konfiguracji

Zazwyczaj transoptory mają zamkniętą parę konfigurację. Ta konfiguracja odnosi się do transoptora zamkniętych w ciemnym pojemnika, przy czym źródło i czujnik są naprzeciw siebie.

Niektóre transoptory posiada szczelinowy łącznik / przerywacz konfiguracji. Ta konfiguracja odnosi się do transoptora z otwartej szczeliny między źródłem a czujnik, który ma zdolność do wpływania na sygnały przychodzące. Szczelinowy łącznik / przerywacz konfiguracja jest przeznaczona do wykrywania obiektów, wykrywania drgań i nieodskakujące przełączania.

Niektóre transoptory mają odblaskowe pary konfigurację. Konfiguracja ta dotyczy optoizolatorów zawierających źródło emitujące światło i czujnik, który wykrywa światło tylko po to odbite od przedmiotu. Para odblaskowe konfiguracja jest odpowiednia dla rozwoju obrotomierza, detektory ruchu i monitorów odbicia.

Późniejsze dwie konfiguracje są często określane jako "optosensors.

Zobacz też

Uwagi

Referencje

źródła

Linki zewnętrzne