Optinio siųstuvo ir optinio imtuvo pora jau seniai naudojama elektronikoje ir elektrotechnikoje. Elektroninis komponentas, kurio imtuvas ir siųstuvas yra tame pačiame korpuse ir tarp jų vyksta optinis ryšys, vadinamas optronu arba optronu.
Turinys
"Optron" dizainas
Optronus sudaro optinis siųstuvas (emiteris), optinis kanalas ir optinis imtuvas. Šviesos siųstuvas elektrinį signalą paverčia optiniu signalu. Daugeliu atvejų siųstuvas yra LED (ankstyvuosiuose modeliuose buvo naudojamos kaitrinės arba neoninės lemputės). Šviesos diodų naudojimas nėra labai svarbus, tačiau jie yra patvaresni ir patikimesni.
Optinis signalas optiniu kanalu perduodamas į imtuvą. Kanalas gali būti uždarytas, kai siųstuvo skleidžiama šviesa nepalieka optrono korpuso. Tada imtuvo generuojamas signalas sinchronizuojamas su siųstuvo įėjime esančiu signalu. Šie kanalai gali būti užpildyti oru arba specialiu optiniu mišiniu. Taip pat yra "ilgųjų" optronų, kurių kanalas yra šviesolaidis.
Jei optronas suprojektuotas taip, kad generuojama spinduliuotė išeina iš gaubto prieš pasiekdama imtuvą, jis vadinamas atviru kanalu. Jis gali būti naudojamas kliūtims, esančioms šviesos spindulio kelyje, aptikti.
Fotodetektorius optinį signalą vėl paverčia elektriniu signalu. Dažniausiai naudojami šie imtuvai:
- Fotodiodai. Paprastai naudojamas skaitmeninio ryšio linijose. Jų linijinė aprėptis nedidelė.
- Fotorezistoriai. Jų ypatybė - dvipusis imtuvo laidumas. Srovė rezistoriumi gali tekėti bet kuria kryptimi.
- Fototranzistoriai. Šių įtaisų ypatybė - galimybė valdyti tranzistoriaus srovę per optinį tranzistorių, taip pat per išėjimo grandinę. Jie naudojami tiek linijiniu, tiek skaitmeniniu režimu. Atskira optronų rūšis yra optronai su lygiagrečiai įjungtais lauko tranzistoriais. Šie prietaisai vadinami Kietojo kūno relės.
- Fototiristoriai. Šiems optronams būdinga didesnė išėjimo galia ir perjungimo greitis, todėl jie naudingi valdant galios elektroniką. Šie prietaisai taip pat klasifikuojami kaip kietojo kūno relės.
Dažniausiai naudojamos optronų mikroschemos yra optronų rinkiniai su optronų jungtimis toje pačioje pakuotėje. Optronai naudojami kaip perjungimo įtaisai ir kitais tikslais.
Privalumai ir trūkumai
Pirmasis optronų privalumas yra tas, kad juose nėra mechaninių dalių. Tai reiškia, kad veikimo metu nėra trinties, nusidėvėjimo ar kontaktų kibirkščiavimo, kaip elektromechaninių relių atveju. Skirtingai nei kiti galvaniniai signalų izoliavimo įtaisai (transformatoriai ir pan.), optronai gali veikti labai žemais dažniais, įskaitant nuolatinę srovę.
Be to, optinių izoliatorių privalumas - labai maža talpinė ir indukcinė jungtis tarp įėjimo ir išėjimo. Tai sumažina impulsų ir aukšto dažnio trukdžių perdavimo tikimybę. Kadangi tarp įėjimo ir išėjimo nėra mechaninio ir elektrinio ryšio, galima rasti įvairių techninių sprendimų bekontakčio valdymo ir perjungimo grandinėms.
Nors realiuose projektuose įėjimo ir išėjimo įtampa ir srovė yra ribotos, nėra esminių teorinių kliūčių padidinti šias charakteristikas. Todėl optronus galima kurti beveik bet kokiai paskirčiai.
Vienas iš optronų trūkumų yra vienpusis signalų perdavimas - neįmanoma perduoti optinio signalo iš fotodetektoriaus atgal į siųstuvą. Dėl to sunku suderinti imtuvo grandinės grįžtamąjį ryšį su siųstuvo signalu.
Priimančiosios dalies atsaką galima paveikti ne tik keičiant siųstuvo spinduliuotę, bet ir įtakojant kanalo būklę (pašalinių objektų atsiradimas, kanalo terpės optinių savybių pokyčiai ir t. t.). Tokia įtaka gali būti ir neelektrinio pobūdžio. Tai išplečia optronų naudojimo galimybes. Dėl nejautrumo išoriniams elektromagnetiniams laukams galima kurti duomenų kanalus, pasižyminčius dideliu atsparumu triukšmui.
Pagrindinis optronų trūkumas - mažas energijos vartojimo efektyvumas dėl signalo nuostolių, susijusių su dviguba signalo konversija. Trūkumu taip pat laikomas didelis vidinis triukšmo lygis. Dėl to sumažėja optronų jautrumas ir jie gali būti naudojami tik silpniems signalams.
Naudojant optronus taip pat reikia atsižvelgti į temperatūros įtaką jų parametrams - ji yra didelė. Be to, optronų trūkumai yra pastebimas elementų degradacija eksploatacijos metu ir tam tikras gamybos technologijos trūkumas, susijęs su skirtingų puslaidininkinių medžiagų naudojimu tame pačiame korpuse.
Optrono charakteristikos
Optronų specifikacijos skirstomos į dvi kategorijas:
- Įrenginio, kuriuo perduodamas signalas, savybių apibūdinimas;
- apibūdinantis įėjimo ir išėjimo atskyrimą.
Pirmoji kategorija - srovės perdavimo koeficientas. Tai priklauso nuo šviesos diodo spinduliavimo koeficiento, imtuvo jautrumo ir optinio kanalo savybių. Tai išėjimo srovės ir įėjimo srovės santykis, kuris daugumoje optronų tipų yra nuo 0,005 iki 0,2. Tranzistorių elementų stiprinimas gali būti net 1.
Jei optroną laikysime keturpoliu, jo įėjimo charakteristiką visiškai lemia optinio emiterio (LED) išėjimo charakteristika ir imtuvo išėjimo charakteristika. Išėjimo charakteristika paprastai yra netiesinė, tačiau kai kurie optronų tipai turi tiesines sekcijas. Pavyzdžiui, diodinis optronas pasižymi geru tiesiškumu, tačiau ši sekcija nėra labai didelė.
Rezistorių elementai taip pat vertinami pagal tamsos varžos (kai įėjimo srovė lygi nuliui) ir šviesos varžos santykį. Svarbi tiristorinių optronų savybė yra mažiausia laikymo srovė atjungtoje būsenoje. Didžiausias darbinis dažnis taip pat yra svarbi optrono charakteristika.
Galvaninio atskyrimo kokybę apibūdina:
- didžiausia į įėjimą ir išėjimą tiekiama įtampa;
- didžiausia įtampa tarp įėjimo ir išėjimo;
- izoliacijos varža tarp įėjimo ir išėjimo;
- Praleidžiamoji talpa.
Pastarasis parametras apibūdina elektrinio aukšto dažnio signalo gebėjimą pereiti iš įėjimo į išėjimą, aplenkiant optinį kanalą, per talpą tarp elektrodų.
Yra parametrų, pagal kuriuos nustatomas įvesties grandinės pajėgumas:
- Didžiausia įtampa, kurią galima prijungti prie įvesties laidų;
- Didžiausia srovė, kurią gali valdyti šviesos diodas;
- Įtampos kritimas šviesos diode, esant vardinei srovei;
- Atvirkštinė įvesties įtampa - atvirkštinio poliariškumo įtampa, kurią gali išlaikyti šviesos diodas.
Išėjimo grandinei šios charakteristikos bus didžiausios leistinos išėjimo srovės ir įtampos bei nuotėkio srovė esant nulinei įėjimo srovei.
Optrono jungtuvų taikymo sritys
Uždarų kanalų optronai naudojami tais atvejais, kai dėl tam tikrų priežasčių (elektrinė sauga ir pan.) reikia atskirti signalo šaltinį nuo imtuvo. Pavyzdžiui, grįžtamojo ryšio grandinėse komutacinių maitinimo šaltinių - Signalas imamas iš maitinimo šaltinio išėjimo ir tiekiamas į spinduliuojantį elementą, kurio ryškumas priklauso nuo įtampos lygio. Nuo išėjimo įtampos priklausantis signalas imamas iš imtuvo ir perduodamas PWM valdikliui.
Kompiuterio maitinimo šaltinio su dviem optronais principinė schema parodyta paveikslėlyje. Viršutinis optronas IC2 užtikrina įtampos stabilizavimo grįžtamąjį ryšį. Apatinis IC3 veikia diskrečiuoju režimu ir tiekia energiją PWM IC, kai yra budėjimo įtampa.
Galvaninio atskyrimo tarp šaltinio ir imtuvo taip pat reikalaujama kai kuriose standartinėse elektrinėse sąsajose.
Atvirų kanalų įtaisai naudojami objektų aptikimo jutikliams (popieriaus buvimas spausdintuve), ribiniams jungikliams, skaitikliams (daiktai ant konvejerio juostos, krumpliaračio dantų skaičius pelėje ir t. t.) ir t. t.
Kietakūnės relės naudojamos taip pat, kaip ir įprastinės relės - signalams perjungti. Tačiau jų naudojimą riboja didelė kanalo varža atvirame būvyje. Jie taip pat naudojami kaip kietojo kūno galios elektronikos elementų (didelės galios lauko tranzistorių arba IGBT tranzistorių) tvarkyklės.
Optronas buvo sukurtas daugiau nei prieš pusę amžiaus, tačiau pradėtas plačiai naudoti po to, kai tapo prieinami ir nebrangūs šviesos diodai. Dabar kuriami vis nauji optronų modeliai (dažniausiai jų pagrindu sukurtos mikroschemos), o taikymo sritis tik plečiasi.
Susiję straipsniai:
