Pasangan "pemancar optik - penerima optik" telah lama digunakan dalam elektronik dan teknik listrik. Komponen elektronik di mana penerima dan pemancar terletak di rumah yang sama dan ada hubungan optik di antara mereka disebut optocoupler atau optocoupler.
Perangkat optocoupler
Optocoupler terdiri dari pemancar optik (emitor), saluran optik dan penerima sinyal optik. Fototransmitter mengubah sinyal listrik menjadi sinyal optik. Pemancar dalam banyak kasus adalah LED (model sebelumnya menggunakan bola lampu pijar atau neon). Penggunaan LED tidak berprinsip, tetapi lebih tahan lama dan dapat diandalkan.
Sinyal optik ditransmisikan melalui saluran optik ke penerima. Saluran ditutup - ketika cahaya yang dipancarkan oleh pemancar tidak melampaui tubuh optocoupler. Kemudian sinyal yang dihasilkan oleh penerima disinkronkan dengan sinyal pada input pemancar.Saluran tersebut adalah udara atau diisi dengan senyawa optik khusus. Ada juga optocoupler "panjang", saluran di mana serat optik.
Jika optocoupler dirancang sedemikian rupa sehingga radiasi yang dihasilkan, sebelum mencapai penerima, meninggalkan rumahan, saluran seperti itu disebut terbuka. Dengan itu, Anda dapat mendaftarkan rintangan yang muncul di jalur berkas cahaya.
Fotodetektor melakukan konversi terbalik dari sinyal optik menjadi sinyal listrik. Penerima yang paling umum digunakan adalah:
- fotodioda. Biasanya digunakan dalam jalur komunikasi digital. Garis keturunan mereka kecil.
- Fotoresistor. Fitur mereka adalah konduktivitas dua arah penerima. Arus yang melalui resistor dapat mengalir ke kedua arah.
- Fototransistor. Fitur dari perangkat tersebut adalah kemampuan untuk mengontrol arus transistor baik melalui optotransmitter maupun melalui rangkaian output. Digunakan dalam mode linier dan digital. Jenis optocoupler terpisah - dengan transistor efek medan lawan paralel. Perangkat semacam itu disebut relai keadaan padat.
- Fototiristor. Optocoupler semacam itu dibedakan oleh peningkatan daya sirkuit keluaran dan kecepatan switchingnya; perangkat tersebut mudah digunakan dalam mengendalikan elemen elektronika daya. Perangkat ini juga dikategorikan sebagai solid state relay.
Sirkuit mikro optocoupler telah tersebar luas - rakitan optocoupler dengan pengikat dalam satu paket. Optocoupler tersebut digunakan sebagai perangkat switching dan untuk tujuan lain.
Keuntungan dan kerugian
Keuntungan pertama yang dicatat dalam instrumen optik adalah tidak adanya bagian mekanis.Ini berarti bahwa selama operasi tidak ada gesekan, keausan, percikan kontak, seperti pada relai elektromekanis. Tidak seperti perangkat lain untuk isolasi sinyal galvanik (transformator, dll.), optocoupler dapat beroperasi pada frekuensi yang sangat rendah, termasuk arus searah.
Selain itu, keuntungan dari isolasi optik adalah sangat rendah kapasitif dan kopling induktif antara input dan output. Karena ini, kemungkinan transmisi impuls dan interferensi frekuensi tinggi berkurang. Tidak adanya koneksi mekanis dan listrik antara input dan output memberikan kemungkinan berbagai solusi teknis untuk pembuatan sirkuit kontrol dan switching tanpa kontak.
Meskipun keterbatasan dalam desain nyata dalam hal tegangan dan arus untuk input dan output, secara teori tidak ada hambatan mendasar untuk meningkatkan karakteristik ini. Ini memungkinkan Anda membuat optocoupler untuk hampir semua tugas.
Kerugian dari optocoupler termasuk transmisi sinyal satu arah - tidak mungkin untuk mengirimkan sinyal optik dari fotodetektor kembali ke pemancar. Hal ini membuat sulit untuk mengatur umpan balik sesuai dengan respons rangkaian penerima terhadap sinyal pemancar.
Reaksi bagian penerima dapat dipengaruhi tidak hanya dengan mengubah radiasi pemancar, tetapi juga dengan memengaruhi keadaan saluran (penampilan objek pihak ketiga, mengubah sifat optik media saluran, dll.). Dampak seperti itu juga dapat bersifat non-listrik. Ini memperluas kemungkinan menggunakan optocoupler. Dan ketidakpekaan terhadap medan elektromagnetik eksternal memungkinkan Anda membuat saluran transmisi data dengan kekebalan kebisingan yang tinggi.
Kerugian utama dari optocoupler adalah efisiensi energi yang rendah terkait dengan kehilangan sinyal selama konversi sinyal ganda. Juga kerugiannya adalah tingkat kebisingan intrinsik yang tinggi. Ini mengurangi sensitivitas optocoupler dan membatasi ruang lingkup aplikasinya di mana bekerja dengan sinyal lemah diperlukan.
Saat menggunakan optocoupler, pengaruh suhu pada parameternya juga harus diperhitungkan - ini signifikan. Selain itu, kerugian dari optocoupler termasuk degradasi elemen yang nyata selama operasi dan kurangnya teknologi dalam produksi yang terkait dengan penggunaan berbagai bahan semikonduktor dalam satu paket.
Karakteristik optocoupler
Parameter optocoupler terbagi dalam dua kategori:
- mengkarakterisasi properti perangkat untuk mengirimkan sinyal;
- mengkarakterisasi decoupling antara input dan output.
Kategori pertama adalah koefisien transfer arus. Itu tergantung pada emisivitas LED, sensitivitas penerima dan sifat saluran optik. Koefisien ini sama dengan rasio arus keluaran dengan arus masukan dan untuk sebagian besar jenis optocoupler adalah 0,005 ... 0,2. Untuk elemen transistor, koefisien transfer bisa mencapai 1.
Jika kita menganggap optocoupler sebagai empat kutub, maka karakteristik inputnya sepenuhnya ditentukan oleh CVC dari opto-emitter (LED), dan output - oleh karakteristik penerima. Karakteristik pass-through umumnya non-linier, tetapi beberapa jenis optocoupler memiliki bagian linier. Jadi, bagian dari CVC optocoupler dioda memiliki linieritas yang baik, tetapi bagian ini tidak terlalu besar.
Elemen resistor juga dievaluasi dengan rasio resistansi gelap (dengan arus input sama dengan nol) terhadap resistansi cahaya. Untuk optocoupler thyristor, karakteristik penting adalah arus penahanan minimum dalam keadaan terbuka. Parameter signifikan dari optocoupler juga mencakup frekuensi operasi tertinggi.
Kualitas isolasi galvanik ditandai dengan:
- tegangan maksimum yang diterapkan pada input dan output;
- tegangan maksimum antara input dan output;
- resistansi isolasi antara input dan output;
- kapasitas lintas.
Parameter terakhir mencirikan kemampuan sinyal frekuensi tinggi listrik bocor dari input ke output, melewati saluran optik, melalui kapasitansi antara elektroda.
Ada parameter yang memungkinkan Anda menentukan kemampuan sirkuit input:
- tegangan tertinggi yang dapat diterapkan ke terminal input;
- arus maksimum yang dapat ditahan oleh LED;
- penurunan tegangan melintasi LED pada arus pengenal;
- Tegangan Input Terbalik - Tegangan polaritas terbalik yang dapat ditahan oleh LED.
Untuk rangkaian keluaran, karakteristik ini akan menjadi arus dan tegangan keluaran maksimum yang diijinkan, serta arus bocor pada arus masukan nol.
Lingkup optocoupler
Optocoupler dengan saluran tertutup digunakan di mana, untuk beberapa alasan (keamanan listrik, dll.), decoupling diperlukan antara sumber sinyal dan sisi penerima. Misalnya, dalam loop umpan balik beralih catu daya - sinyal diambil dari output PSU, diumpankan ke elemen pemancar, yang kecerahannya tergantung pada level tegangan.Sinyal tergantung pada tegangan output diambil dari penerima dan diumpankan ke pengontrol PWM.
Sebuah fragmen dari rangkaian catu daya komputer dengan dua optocoupler ditunjukkan pada gambar. IC2 optocoupler atas menciptakan umpan balik yang menstabilkan tegangan. IC3 bawah beroperasi dalam mode diskrit dan memasok daya ke chip PWM saat tegangan siaga.
Isolasi galvanik antara sumber dan penerima juga diperlukan oleh beberapa antarmuka listrik standar.
Perangkat dengan saluran terbuka digunakan untuk membuat sensor untuk mendeteksi objek apa pun (keberadaan kertas di printer), sakelar batas, penghitung (objek pada konveyor, jumlah gigi roda gigi di manipulator mouse), dll.
Relai keadaan padat digunakan di tempat yang sama dengan relai konvensional - untuk mengalihkan sinyal. Tetapi propagasi mereka terhalang oleh resistensi saluran yang tinggi dalam keadaan terbuka. Mereka juga digunakan sebagai driver untuk elemen elektronik solid-state daya (transistor efek medan atau IGBT yang kuat).
Optocoupler dikembangkan lebih dari setengah abad yang lalu, tetapi penggunaannya secara luas dimulai setelah LED menjadi terjangkau dan murah. Sekarang semua model baru optocoupler sedang dikembangkan (sebagian besar, berdasarkan sirkuit mikro), dan cakupannya hanya berkembang.
Artikel serupa:
