Pora „optinis emiteris – optinis imtuvas“ jau seniai naudojama elektronikoje ir elektrotechnikoje. Elektroninis komponentas, kurio imtuvas ir siųstuvas yra tame pačiame korpuse ir tarp jų yra optinis ryšys, vadinamas optronu arba optronu.
Optinio ryšio įrenginys
Optronas susideda iš optinio siųstuvo (emiterio), optinio kanalo ir optinio signalo imtuvo. Fotosiųstuvas elektrinį signalą paverčia optiniu. Siųstuvas daugeliu atvejų yra šviesos diodas (ankstesni modeliai naudojo kaitrines arba neonines lemputes). Šviesos diodų naudojimas yra neprincipingas, tačiau jie yra patvaresni ir patikimesni.
Optinis signalas optiniu kanalu perduodamas į imtuvą. Kanalas uždaromas – kai siųstuvo skleidžiama šviesa neperžengia optrono korpuso. Tada imtuvo generuojamas signalas sinchronizuojamas su signalu siųstuvo įėjime.Tokie kanalai yra oro arba užpildyti specialiu optiniu junginiu. Taip pat yra „ilgųjų“ optinių jungčių, kurių kanalas yra optinio pluošto.
Jei optronas sukonstruotas taip, kad generuojama spinduliuotė, prieš pasiekdama imtuvą, išeina iš korpuso, toks kanalas vadinamas atviru. Su juo galite užregistruoti kliūtis, kylančias šviesos pluošto kelyje.
Fotodetektorius atlieka atvirkštinį optinio signalo konvertavimą į elektrinį. Dažniausiai naudojami imtuvai:
- Fotodiodai. Paprastai naudojamas skaitmeninėse ryšio linijose. Jų giminė nedidelė.
- Fotorezistoriai. Jų ypatybė – dvipusis imtuvo laidumas. Srovė per rezistorių gali eiti bet kuria kryptimi.
- Fototranzistoriai. Tokių prietaisų ypatybė yra galimybė valdyti tranzistoriaus srovę tiek per optinį siųstuvą, tiek per išvesties grandinę. Naudojamas tiek tiesiniu, tiek skaitmeniniu režimu. Atskiras optronų tipas – su lygiagrečiai priešais lauko tranzistoriais. Tokie įrenginiai vadinami kietojo kūno relės.
- Fototiristoriai. Tokie optronai išsiskiria padidinta išėjimo grandinių galia ir jų perjungimo greičiu, tokie įrenginiai yra patogiai naudojami valdant galios elektronikos elementus. Šie įrenginiai taip pat priskiriami kietojo kūno relių kategorijai.
Plačiai paplito optronų mikroschemos - optronų mazgai su dirželiais vienoje pakuotėje. Tokie optronai naudojami kaip perjungimo įrenginiai ir kitiems tikslams.
Privalumai ir trūkumai
Pirmasis optinių prietaisų pranašumas yra mechaninių dalių nebuvimas.Tai reiškia, kad eksploatacijos metu nėra trinties, susidėvėjimo, kontaktų kibirkščiavimo, kaip elektromechaninėse relėse. Skirtingai nuo kitų įrenginių, skirtų galvaniniam signalų izoliavimui (transformatoriai ir kt.), optronai gali veikti labai žemais dažniais, įskaitant nuolatinę srovę.
Be to, optinės izoliacijos pranašumas yra labai maža talpinė ir indukcinė įvesties ir išvesties jungtis. Dėl to sumažėja impulsų perdavimo ir aukšto dažnio trukdžių tikimybė. Mechaninių ir elektrinių jungčių tarp įvesties ir išvesties nebuvimas suteikia galimybę įvairiems techniniams sprendimams sukurti bekontakčio valdymo ir perjungimo grandines.
Nepaisant realaus dizaino apribojimų įvesties ir išvesties įtampos ir srovės atžvilgiu, teoriškai nėra esminių kliūčių padidinti šias charakteristikas. Tai leidžia sukurti optines jungtis beveik bet kokiai užduočiai.
Optronų trūkumai apima vienpusį signalo perdavimą – iš fotodetektoriaus neįmanoma perduoti optinio signalo atgal į siųstuvą. Dėl to sunku organizuoti grįžtamąjį ryšį pagal priėmimo grandinės reakciją į siųstuvo signalą.
Įtakos priimančios dalies reakcijai galima ne tik keičiant siųstuvo spinduliuotę, bet ir darant įtaką kanalo būsenai (trečiųjų šalių objektų atsiradimui, kanalo terpės optinių savybių keitimui ir pan.). Toks poveikis gali būti ir neelektrinio pobūdžio. Tai praplečia optronų panaudojimo galimybes. O nejautrumas išoriniams elektromagnetiniams laukams leidžia sukurti duomenų perdavimo kanalus su dideliu atsparumu triukšmui.
Pagrindinis optronų trūkumas yra mažas energijos vartojimo efektyvumas, susijęs su signalo praradimu dvigubo signalo konvertavimo metu. Taip pat trūkumas yra didelis vidinis triukšmo lygis. Tai sumažina optinių jungčių jautrumą ir apriboja jų taikymo sritį, kai reikia dirbti su silpnais signalais.
Naudojant optrones, reikia atsižvelgti ir į temperatūros įtaką jų parametrams – ji reikšminga. Be to, optronų trūkumai apima pastebimą elementų degradaciją eksploatacijos metu ir tam tikrą gamybos technologijos trūkumą, susijusį su įvairių puslaidininkinių medžiagų naudojimu vienoje pakuotėje.
Optronų charakteristikos
Optronų parametrai skirstomi į dvi kategorijas:
- apibūdinti įrenginio, kuriuo perduodamas signalas, savybes;
- charakterizuojantis įvesties ir išvesties atsiejimą.
Pirmoji kategorija yra srovės perdavimo koeficientas. Tai priklauso nuo šviesos diodo spinduliavimo, imtuvo jautrumo ir optinio kanalo savybių. Šis koeficientas yra lygus išėjimo srovės ir įėjimo srovės santykiui, o daugumai optronų tipų yra 0,005 ... 0,2. Tranzistorių elementų perdavimo koeficientas gali siekti 1.
Jei optroną laikysime keturių polių, tada jo įvesties charakteristikas visiškai lemia optinio emiterio (LED) CVC, o išėjimą - imtuvo charakteristika. Praėjimo charakteristika paprastai yra netiesinė, tačiau kai kurių tipų optronai turi linijines dalis. Taigi, dalis diodinio optrono CVC turi gerą tiesiškumą, tačiau ši sekcija nėra labai didelė.
Rezistorių elementai taip pat vertinami tamsos varžos (kai įėjimo srovė lygi nuliui) ir šviesos varžos santykiu. Tiristorių optronų svarbi charakteristika yra minimali laikymo srovė atviroje būsenoje. Reikšmingi optrono parametrai taip pat apima didžiausią veikimo dažnį.
Galvaninės izoliacijos kokybę apibūdina:
- maksimali įtampa, taikoma įėjimui ir išėjimui;
- maksimali įtampa tarp įėjimo ir išėjimo;
- izoliacijos varža tarp įėjimo ir išėjimo;
- praėjimo pajėgumas.
Paskutinis parametras apibūdina elektrinio aukšto dažnio signalo gebėjimą nutekėti iš įvesties į išėjimą, apeinant optinį kanalą per talpą tarp elektrodų.
Yra parametrai, leidžiantys nustatyti įvesties grandinės galimybes:
- aukščiausia įtampa, kurią galima prijungti prie įvesties gnybtų;
- maksimali srovė, kurią gali atlaikyti šviesos diodas;
- įtampos kritimas per šviesos diodą esant vardinei srovei;
- Atvirkštinė įvesties įtampa – atvirkštinio poliškumo įtampa, kurią gali atlaikyti šviesos diodas.
Išėjimo grandinėje šios charakteristikos bus didžiausia leistina išėjimo srovė ir įtampa, taip pat nuotėkio srovė, kai įvesties srovė yra nulinė.
Optronų apimtis
Optronai su uždaru kanalu naudojami ten, kur dėl kokių nors priežasčių (elektros saugos ir pan.) reikalingas atsiejimas tarp signalo šaltinio ir priėmimo pusės. Pavyzdžiui, grįžtamojo ryšio kilpose perjungimo maitinimo šaltiniai - signalas paimamas iš PSU išėjimo, tiekiamas į spinduliuojantį elementą, kurio ryškumas priklauso nuo įtampos lygio.Signalas, priklausantis nuo išėjimo įtampos, paimamas iš imtuvo ir tiekiamas į PWM valdiklį.
Kompiuterio maitinimo grandinės su dviem optronais fragmentas parodytas paveikslėlyje. Viršutinis optronas IC2 sukuria grįžtamąjį ryšį, kuris stabilizuoja įtampą. Apatinis IC3 veikia diskrečiu režimu ir tiekia maitinimą PWM lustui, kai yra budėjimo įtampa.
Galvaninė izoliacija tarp šaltinio ir imtuvo taip pat reikalinga kai kuriose standartinėse elektros sąsajose.
Prietaisai su atviru kanalu naudojami kuriant jutiklius, skirtus aptikti bet kokius objektus (popieriaus buvimą spausdintuve), ribinius jungiklius, skaitiklius (objektus ant konvejerio, krumpliaračio dantų skaičių pelės manipuliatoriuose) ir kt.
Kietojo kūno relės naudojamos ten pat, kur ir įprastos relės – signalams perjungti. Tačiau jiems plisti trukdo didelis kanalo pasipriešinimas atviroje būsenoje. Jie taip pat naudojami kaip galios kietojo kūno elektronikos elementų (galingų lauko efektų arba IGBT tranzistorių) tvarkyklės.
Optronas buvo sukurtas daugiau nei prieš pusę amžiaus, tačiau plačiai jį naudoti pradėta po to, kai šviesos diodai tapo prieinami ir nebrangūs. Dabar kuriami visi nauji optronų modeliai (dažniausiai jų pagrindu sukurtos mikroschemos), o jų taikymo sritis tik plečiasi.
Panašūs straipsniai:
