Оптотоқпен оқшаулағыш құрылғысы

Кіріспе

электрондық компонент
Екі тізбекті бір-бірінен оқшаулайды, бірақ сигналдарды бір бағытта өтуге мүмкіндік береді.

Оптоизолятор (оптық жұптастырғыш, фотожұптастырғыш немесе оптикалық оқшаулағыш деп те аталады) – жарық көмегімен екі оқшауланған тізбек арасында электр сигналдарын беруге арналған электрондық компонент. Оптоизоляторлар жоғары кернеудің сигналды қабылдайтын жүйеге әсер етуіне жол бермейді. Саудада қолжетімді оптоизоляторлар 10 кВ-қа дейінгі кіріс-шығыс кернеулеріне және 25 кВ/мк/с жылдамдықтағы кернеу импульстарына төтеп бере алады. Оптоизолятордың кең таралған түрі – бір түсті өткізбейтін корпуста LED және фототранзистордан тұрады. Басқа да сенсорлар комбинацияларына LED фотодиоды, LED LASCR және лампа-фоторезистор жұптары жатады. Әдетте оптоизоляторлар цифрлық (қосу-өшіру) сигналдарды береді және электрондық коммутатор ретінде жұмыс істей алады, бірақ кейбір техникалар оларды аналогтық сигналдармен де пайдалануға мүмкіндік береді.

Тарих

1963 жылы Акменкалнс және авторлар тобы (АҚШ патенті 3,417,249) қатты күйдегі жарық шығарушыны жартылай өткізгіш детектормен оптикалық байланыстыру арқылы электр оқшаулаудың маңыздылығын анықтады. 1968 жылы фоторезисторға негіделген опто-оқшаулағыштар пайда болды. Олар ең баяу, бірақ сонымен бірге ең сызықтық оқшаулағыштар болып табылады және аудио және музыка индустриясында әлі де өз орнын сақтап тұр. 1968-1970 жылдары LED технологиясының коммерциялық сәттілікке ие болуы оптоэлектроника саласында өркендеуге алып келді, ал 1970-ші жылдардың соңына қарай индустрия опто-оқшаулағыштардың барлық негізгі түрлерін әзірледі. Нарықтағы опто-оқшаулағыштардың көпшілігі биполярлы кремний фототранзисторлық сенсорларды қолданады. Олар электроэнцефалография сияқты қолданыстар үшін жеткілікті орташа деректерді беру жылдамдығына қол жеткізеді. Ең жылдам опто-оқшаулағыштар фотоөткізгіштік режимінде PIN диодтарын пайдаланады.

Қаттылықпен оқшаулаушы опто-оқшаулағыштар

Ең алғашқы опто-изоляторлар, бастапқыда жарық жасушалары ретінде сатылған, 1960 жылдары пайда болды. Олар жарық көзі ретінде кішкентай қыздырылатын шамдарды, ал қабылдағыш ретінде кадмий сульфиді (CdS) немесе кадмий селениді (CdSe) фоторезисторларын (жарыққа тәуелді резисторлар, LDR деп те аталады) қолданды. Басқарудың сызықтығы маңызды болмаған немесе қолданылатын ток қыздырылатын шамды іске қосу үшін жеткіліксіз болған жағдайларда (вакуумдық лампа күшейткіштерінде болғандай), олар неон лампасымен ауыстырылды. Бұл құрылғылар (немесе олардың LDR бөлігі) Vactrols деп аталды, бұл Vactec, Inc. компаниясының тауарлық белгісі. Тауарлық белгі кейіннен жалпыға тарады, бірақ түпнұсқа Vactrols әлі де PerkinElmer компаниясымен өндіріледі. Қыздырылатын шамның қосылу және өшіру кешігуі жүзден астам миллисекундты құрайды, бұл шамды тиімді төмен өткізгіш фильтр және түзеткіш етеді, бірақ практикалық модуляция жиіліктерінің диапазонын бірнеше Герцке дейін шектейді. 1968-1970 жылдары жарықдиодтардың (LED) енгізілуімен, өндірушілер қыздырылатын және неон шамдарын LED-термен ауыстырды және 5 миллисекундтік жауап беру уақытын және 250 Гц-ке дейінгі модуляция жиіліктерін жеткізді. Vactrol атауы LED-негізгі құрылғыларға көшті, олар 2010 жылға дейін шағын көлемде өндіріледі. Опто-изоляторларда қолданылатын фоторезисторлар жартылай өткізгіштің біртекті қабатындағы көлемдік эффектілерге сенеді; p-n тораптары жоқ. Бұл оларды вакуумдық люминесценттік дисплейлерді басқару үшін өте қолайлы етті. Басқа өнеркәсіптік қолданыстарға фотокөшіру машиналары, өнеркәсіптік автоматтандыру, кәсіби жарық өлшеу құралдары және автоматты экспозиция өлшегіштері кірді. Бүгінгі күні Vactrols музыка индустриясында stompbox педалін басу арқылы іске қосылады. Нағыз PerkinElmer Vactrols-тың тапшылығы DIY гитара қауымдастығын өздерінің резистивті опто-изоляторларын жасауға мәжбүр етті. Гитаристтер опто-изоляцияланған эффектілерді қалайды, өйткені дыбыс және басқару тізбектерінің жақсы бөлінуі "дыбыстың жоғары сапасын" қамтамасыз етеді. Оның өнімділігі сонымен қатар кадмий қосылыстарына тән жарық тарихына байланысты кедергінің баяу өзгеруімен және есте сақтау әсерімен нашарлайды. Мұндай өзгерулер сағаттар бойына созылуы мүмкін және басқару тізбегіндегі кері байланыспен толыққанды өтеуге келмейді.

The earliest opto isolators, originally marketed as light cells, emerged in the 1960s. They employed miniature incandescent light bulbs as sources of light, and cadmium sulfide (CdS) or cadmium selenide (CdSe) photoresistors (also called light dependent resistors, LDRs) as receivers. In applications where control linearity was not important, or where available current was too low for driving an incandescent bulb (as was the case in vacuum tube amplifiers), it was replaced with a neon lamp. These devices (or just their LDR component) were commonly named Vactrols, after a trademark of Vactec, Inc. The trademark has since been genericized, but the original Vactrols are still being manufactured by PerkinElmer. The turn on and turn off lag of an incandescent bulb lies in hundreds of milliseconds range, which makes the bulb an effective low pass filter and rectifier but limits the practical modulation frequency range to a few Hertz. With the introduction of light emitting diodes (LEDs) in 1968–1970, the manufacturers replaced incandescent and neon lamps with LEDs and achieved response times of 5 milliseconds and modulation frequencies up to 250 Hz. The name Vactrol was carried over on LED based devices which are, as of 2010, still produced in small quantities. Photoresistors used in opto isolators rely on bulk effects in a uniform film of semiconductor; there are no p n junctions. which made them ideal for driving vacuum fluorescent displays. Other industrial applications included photocopiers, industrial automation, professional light measurement instruments and auto exposure meters. To date, Vactrols activated by pressing the stompbox pedal are ubiquitous in the music industry. Shortages of genuine PerkinElmer Vactrols forced the DIY guitar community to "roll their own" resistive opto isolators. Guitarists to date prefer opto isolated effects because their superior separation of audio and control grounds results in "inherently high quality of the sound". Performance is further compromised by slow fluctuations of resistance owing to light history, a memory effect inherent in cadmium compounds. Such fluctuations take hours to settle and can be only partially offset with feedback in the control circuit.

Фотодиодты опто-оқшаулағыштар

Диодты опто-оқшаулағыштар жарық көзі ретінде LED-терді, ал сенсорлар ретінде кремний фотодиодтарды қолданады. Фотодиодқа сыртқы кернеу көзі арқылы кері бұрылыс берілген кезде, кіретін жарық диод арқылы өтетін кері токты арттырады. Диодтың өзі энергия өндірмейді, ол сыртқы көзден келетін энергия ағынын модуляциялайды. Бұл жұмыс режимі фотожелілік режим деп аталады. Сыртқы бұрылыс болмаған жағдайда диод жарық энергиясын электр энергиясына айналдырады, оның терминалдарын 0,7 В-қа дейінгі кернеуге дейін зарядтайды. Зарядтау жылдамдығы кіретін жарықтың қарқындылығына пропорционалды. Энергия зарядты сыртқы жоғары кедерістік жол арқылы ағызу арқылы жиналады; ток беру қатынасы 0,2%-ға дейін жете алады. Hewlett Packard 6N137/HPCL2601 құрылғылар отбасы, ішкі шығыс күшейткіштерімен жабдықталған, 1970-ші жылдардың соңында енгізілді және 10 Мбит/с деректерді беру жылдамдығына қол жеткізді. 2002 жылы 50 Мбит/с Agilent Technologies 7723/0723 отбасы енгізілгенге дейін ол өнеркәсіп стандарты болып қала берді. 7723/0723 сериялы опто-оқшаулағыштар CMOS LED драйверлерімен және CMOS буферленген күшейткіштерімен жабдықталған, олардың әрқайсысына 5 В екі тәуелсіз сыртқы қуат көзі қажет. Фотодиодты опто-оқшаулағыштар аналогты сигналдарды қосу үшін пайдаланылуы мүмкін, бірақ олардың сызықтық еместігі сигналды бұрмалайды. Burr Brown ұсынған аналогты опто-оқшаулағыштардың арнайы класы диодтың сызықтық еместігін өтеу үшін екі фотодиодты және кіріс жағындағы операциялық күшейткішті пайдаланады. Екінші (шығыс) диодтың сызықтық еместігіне қарамастан, күшейткіштің кері байланыс тізбегіне екі бірдей диодтың бірі қосылады, бұл жалпы ток беру қатынасын тұрақты деңгейде ұстайды. Дегенмен, осы принципті пайдаланатын сызықтық опто-жұптамалар көп жылдар бойы қолжетімді болды, мысалы IL300. MOSFET коммутаторларына негізделген қатты күйдегі релелер әдетте коммутаторды басқару үшін фотодиодты опто-оқшаулағышты қолданады. MOSFET қақпасын қосу үшін салыстырмалы түрде аз жалпы заряд қажет, ал тұрақты күйдегі оның ағыны өте төмен. Фотодиодтың фотоэлектрлік режимінде қосу зарядын жеткілікті қысқа уақытта жасауға болады, бірақ оның шығыс кернеуі MOSFET-тің шекті кернеуінен әлдеқайда аз. Қажетті шекті деңгейге жету үшін қатты күйдегі релелер сериялы қосылған отызға дейін фотодиодтардан тұратын тізбектерді қамтиды.

Diode opto isolators employ LEDs as sources of light and silicon photodiodes as sensors. When the photodiode is reverse biased with an external voltage source, incoming light increases the reverse current flowing through the diode. The diode itself does not generate energy; it modulates the flow of energy from an external source. This mode of operation is called photoconductive mode. Alternatively, in the absence of external bias the diode converts the energy of light into electric energy by charging its terminals to a voltage of up to 0.7 V. The rate of charge is proportional to the intensity of incoming light. The energy is harvested by draining the charge through an external high impedance path; the ratio of current transfer can reach 0.2%. The Hewlett Packard 6N137/HPCL2601 family of devices equipped with internal output amplifiers was introduced in the late 1970s and attained 10 MBd data transfer speeds. It remained an industry standard until the introduction of the 50 MBd Agilent Technologies 7723/0723 family in 2002. The 7723/0723 series opto isolators contain CMOS LED drivers and a CMOS buffered amplifiers, which require two independent external power supplies of 5 V each. Photodiode opto isolators can be used for interfacing analog signals, although their non linearity invariably distorts the signal. A special class of analog opto isolators introduced by Burr Brown uses two photodiodes and an input side operational amplifier to compensate for diode non linearity. One of two identical diodes is wired into the feedback loop of the amplifier, which maintains overall current transfer ratio at a constant level regardless of the non linearity in the second (output) diode. However linear opto couplers using this principle have been available for many years, for example the IL300. Solid state relays built around MOSFET switches usually employ a photodiode opto isolator to drive the switch. The gate of a MOSFET requires relatively small total charge to turn on and its leakage current in steady state is very low. A photodiode in photovoltaic mode can generate turn on charge in a reasonably short time but its output voltage is many times less than the MOSFET's threshold voltage. To reach the required threshold, solid state relays contain stacks of up to thirty photodiodes wired in series.

Фототранзисторлы опто-оқшаулағыштар

Фототранзисторлар фотодиодтарға қарағанда өте баяу жұмыс істейді. Мысалы, ең ерте және ең баяу, бірақ әлі де жиі қолданылатын 4N35 оптоизоляторы 100 Омдық жүктемеде 5 мкс көтерілу және түсу уақытына ие, ал оның өткізу қабілеті шамамен 10 килогерцке дейін шектелген. Бұл электроэнцефалография сияқты қолданулар үшін жеткілікті. 1983 жылғы Музыкалық аспаптардың сандық интерфейсінің бастапқы нұсқасында ұсынылған PC 900 немесе 6N138 сияқты құрылғылар ондаған килобауд жылдамдықпен сандық деректерді беруге мүмкіндік береді. Фототранзисторлар максималды жылдамдықтарына жету үшін дұрыс токпен жүктелген болуы керек, мысалы, 4N28 оптималды токпен 50 кГц-ке дейін, ал одан басқа 4 кГц-тен төмен жұмыс істейді. Транзисторлық оптоизоляторларды жобалауда коммерциялық құрылғыларда кездесетін параметрлердің кең ауытқуына ескеру қажет. Немесе оптоизоляторлардағы күтпеген кешігу H-көпірдің бір жағында қысқа тұйықталуға себеп болуы мүмкін. Өндірушілердің деректер кестелерінде әдетте маңызды параметрлердің ең нашар жағдайдағы мәндері ғана көрсетіледі, ал нақты құрылғылар осы ең нашар жағдайдағы бағалаулардан күтпеген түрде жақсырақ болып шығады. Opto FET-тер шығыс тізбегіне коммутациялық зарядты енгізбей қосылады, бұл үлгіні сақтап тұру тізбегінде өте пайдалы. Бірақ LED-тер, барлық жартылай өткізгіш диодтар сияқты, кіріс жарығын анықтай алады, бұл LED-тер жұбынан екі бағытты оптоизолятор құруға мүмкіндік береді. Ең қарапайым екі бағытты оптоизолятор – бетпе-бет орналасқан екі LED, жылуды қысқарту түтігімен біріктірілген. Қажет болған жағдайда екі LED арасындағы аралықты шыны талшықпен ұзартуға болады. Көрінетін спектрлі LED-тердің беру тиімділігі салыстырмалы түрде төмен болғандықтан, инфрақызыл спектрлі GaAs, GaAs:Si және AlGaAs:Si LED-тер екі бағытты құрылғылар үшін артықшылықты таңдау болып табылады. GaAs:Si LED-тер жұбынан құралған екі бағытты оптоизоляторлар фотоэлектрлік немесе фотоөткізгіштік режимінде 0,06% шамасындағы ток беру коэффициентіне ие – бұл фотодиодты изоляторларға қарағанда аз, бірақ нақты қолданулар үшін жеткілікті.

Phototransistors are inherently slower than photodiodes. The earliest and the slowest but still common 4N35 opto isolator, for example, has rise and fall times of 5 μs into a 100 Ohm load and its bandwidth is limited at around 10 kilohertz sufficient for applications like electroencephalography Devices like PC 900 or 6N138 recommended in the original 1983 Musical Instrument Digital Interface specification allow digital data transfer speeds of tens of kiloBauds. Phototransistors must be properly biased and loaded to achieve their maximum speeds, for example, the 4N28 operates at up to 50 kHz with optimum bias and less than 4 kHz without it. Design with transistor opto isolators requires generous allowances for wide fluctuations of parameters found in commercially available devices. or when unexpected delays in opto isolators cause a short circuit through one side of an H bridge. Manufacturers' datasheets typically list only worst case values for critical parameters; actual devices surpass these worst case estimates in an unpredictable fashion. Opto FETs turn on without injecting switching charge in the output circuit, which is particularly useful in sample and hold circuits. But LEDs, like all semiconductor diodes, are capable of detecting incoming light, which makes possible construction of a two way opto isolator from a pair of LEDs. The simplest bidirectional opto isolator is merely a pair of LEDs placed face to face and held together with heat shrink tubing. If necessary, the gap between two LEDs can be extended with a glass fiber insert. Visible spectrum LEDs have relatively poor transfer efficiency, thus near infrared spectrum GaAs, GaAs:Si and AlGaAs:Si LEDs are the preferred choice for bidirectional devices. Bidirectional opto isolators built around pairs of GaAs:Si LEDs have current transfer ratio of around 0.06% in either photovoltaic or photoconductive mode — less than photodiode based isolators, but sufficiently practical for real world applications.

Конфигурация түрлері

Көбінесе оптожұптамалар жабық жұптық конфигурацияда болады. Бұл конфигурация көз және сенсор бір-біріне қарама-қарсы орналасқан, қараңғы контейнерге орналастырылған оптожұптамаларды білдіреді. Кейбір оптожұптамалар ойықты қосқыш/үзу конфигурациясына ие. Бұл конфигурация кіріс сигналдарына әсер ете алатын көз бен сенсор арасында ашық ойығы бар оптожұптамаларды білдіреді. Ойықты қосқыш/үзу конфигурациясы нысандарды анықтау, дірілді анықтау және секірмейтін коммутация үшін қолайлы. Кейбір оптожұптамалар шағылыстыратын жұп конфигурациясына ие. Бұл конфигурация жарық шығаратын көзді және жарық нысаннан шағылысқан кезде ғана анықтайтын сенсорды қамтитын оптожұптамаларды білдіреді. Шағылыстыратын жұп конфигурациясы тахометрлерді, қозғалыс детекторын және шағылыс мониторын жасауға қолайлы. Соңғы екі конфигурация жиі оптосенсорлар немесе фотоэлектрлік сенсорлар деп аталады.