Оптоизоляторы: Принцип работы и типы

Введение

электронный компонент
Изолирует две цепи друг от друга, позволяя сигналам проходить только в одном направлении.

Оптоизолятор (также называемый оптопарой, фотопарой или оптическим изолятором) – это электронный компонент, который передает электрические сигналы между двумя изолированными цепями посредством света. Оптоизоляторы предотвращают влияние высоких напряжений на систему, принимающую сигнал. Коммерчески доступные оптоизоляторы выдерживают напряжение между входом и выходом до 10 кВ и переходные процессы напряжением со скоростью до 25 кВ/мкс. Наиболее распространенный тип оптоизолятора состоит из светодиода и фототранзистора в одном непрозрачном корпусе. Другие типы комбинаций источника и датчика включают светодиод-фотодиод, светодиод-СИМИСТОР и пары лампа-фоторезистор. Обычно оптоизоляторы передают цифровые (включено/выключено) сигналы и могут функционировать как электронный переключатель, но существуют методы, позволяющие использовать их и с аналоговыми сигналами.

История

Значение оптического соединения твердотельного светоизлучателя с полупроводниковым детектором для целей электрической изоляции было признано в 1963 году Akmenkalns и др. (патент США 3,417,249). Фоторезисторные оптоизоляторы появились в 1968 году. Они самые медленные, но при этом самые линейные изоляторы и до сих пор сохраняют свою нишу на рынке в аудио- и музыкальной индустрии. Коммерциализация светодиодных технологий в 1968–1970 годах привела к буму в оптоэлектронике, и к концу 1970-х годов промышленность разработала все основные типы оптических изоляторов. Большинство оптоизоляторов, представленных на рынке, используют биполярные кремниевые фототранзисторные датчики. Они обеспечивают среднюю скорость передачи данных, достаточную для таких применений, как электроэнцефалография. Самые быстрые оптоизоляторы используют PIN-диоды в фотопроводящем режиме.

Оптические изоляторы с резистивным сопротивлением

Самые ранние оптоизоляторы, первоначально продававшиеся как светочувствительные элементы, появились в 1960-х годах. В качестве источников света в них использовались миниатюрные лампы накаливания, а в качестве приемников – фоторезисторы сульфида кадмия (CdS) или селенида кадмия (CdSe) (также известные как светозависимые резисторы, СЗР). В приложениях, где линейность управления не имела значения, или когда доступный ток был недостаточен для питания лампы накаливания (как это было в случае с усилителями на электронных лампах), её заменяли неоновой лампой. Эти устройства (или просто их компонент СЗР) обычно назывались Vactrols, по названию торговой марки компании Vactec, Inc. Торговая марка впоследствии стала общеупотребительной, но оригинальные Vactrols до сих пор производятся компанией PerkinElmer. Время включения и выключения лампы накаливания составляет сотни миллисекунд, что делает её эффективным фильтром нижних частот и выпрямителем, но ограничивает практичный диапазон частот модуляции до нескольких герц. С появлением светодиодов (LED) в 1968–1970 годах производители заменили лампы накаливания и неоновые лампы светодиодами и достигли времени отклика в 5 миллисекунд и частоты модуляции до 250 Гц. Название Vactrol было перенесено на устройства на основе светодиодов, которые, по состоянию на 2010 год, всё ещё производятся в небольших количествах. Фоторезисторы, используемые в оптоизоляторах, основаны на объемных эффектах в однородной пленке полупроводника; p-n переходов в них нет, что делало их идеальными для управления вакуумно-флуоресцентными дисплеями. Другие промышленные применения включали фотокопировальные аппараты, промышленную автоматизацию, профессиональные приборы для измерения освещенности и автоматические экспонометры. На сегодняшний день Vactrols, активируемые нажатием на педаль эффекта, широко используются в музыкальной индустрии. Дефицит оригинальных Vactrols от PerkinElmer побудил сообщество гитаристов-энтузиастов изготавливать собственные резистивные оптоизоляторы. Гитаристы и по сей день предпочитают эффекты с оптоизоляцией, поскольку их превосходное разделение цепей аудио и управления обеспечивает "естественно высокое качество звука". Производительность дополнительно ухудшается медленными колебаниями сопротивления, вызванными историей освещения – эффектом памяти, присущим соединениям кадмия. Для стабилизации этих колебаний требуются часы, и их можно лишь частично компенсировать обратной связью в схеме управления.

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.

Фотодиодные оптоизоляторы

Диодные оптоизоляторы используют светодиоды в качестве источников света и кремниевые фотодиоды в качестве датчиков. Когда фотодиод смещен в обратном направлении внешним источником напряжения, поступающий свет увеличивает обратный ток, протекающий через диод. Сам диод не генерирует энергию; он модулирует поток энергии от внешнего источника. Этот режим работы называется фотопроводящим режимом. В качестве альтернативы, при отсутствии внешнего смещения, диод преобразует энергию света в электрическую энергию, заряжая свои выводы до напряжения до 0,7 В. Скорость заряда пропорциональна интенсивности входящего света. Энергия извлекается путем отвода заряда через внешний путь с высоким импедансом; коэффициент передачи тока может достигать 0,2%. Семейство устройств Hewlett Packard 6N137/HPCL2601, оснащенных внутренними выходными усилителями, было представлено в конце 1970-х годов и достигло скорости передачи данных 10 Мбит/с. Оно оставалось отраслевым стандартом до появления в 2002 году семейства Agilent Technologies 7723/0723 со скоростью 50 Мбит/с. Оптоизоляторы серии 7723/0723 содержат драйверы светодиодов CMOS и буферные усилители CMOS, которым требуется два независимых внешних источника питания по 5 В каждый. Фотодиодные оптоизоляторы могут использоваться для подключения аналоговых сигналов, хотя их нелинейность неизбежно искажает сигнал. Специальный класс аналоговых оптоизоляторов, представленный компанией Burr Brown, использует два фотодиода и операционный усилитель на входной стороне для компенсации нелинейности диода. Один из двух идентичных диодов включен в контур обратной связи усилителя, что поддерживает общий коэффициент передачи тока на постоянном уровне независимо от нелинейности во втором (выходном) диоде. Однако линейные оптопары, использующие этот принцип, доступны уже много лет, например IL300. Твердотельные реле, построенные на основе MOSFET-ключей, обычно используют фотодиодный оптоизолятор для управления ключом. Затвор MOSFET требует относительно небольшого общего заряда для включения, а его ток утечки в установившемся режиме очень мал. Фотодиод в фотоэлектрическом режиме может генерировать заряд включения за разумное время, но его выходное напряжение во много раз меньше порогового напряжения MOSFET. Для достижения требуемого порога, твердотельные реле содержат стопки до тридцати фотодиодов, соединенных последовательно.

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.

Оптоизоляторы с фототранзистором

Фототранзисторы по своей природе медленнее фотодиодов. Например, самый ранний и самый медленный, но всё ещё распространённый оптический изолятор 4N35 имеет время нарастания и спада 5 мкс при нагрузке 100 Ом, а его полоса пропускания ограничена примерно 10 кГц, что достаточно для таких применений, как электроэнцефалография. Устройства, такие как PC 900 или 6N138, рекомендованные в оригинальной спецификации цифрового интерфейса музыкальных инструментов 1983 года, позволяют передавать цифровые данные со скоростью десятков килобод. Фототранзисторы должны быть правильно смещены и нагружены для достижения максимальной скорости, например, 4N28 работает на частоте до 50 кГц при оптимальном смещении и менее 4 кГц без него. При проектировании с транзисторными оптоизоляторами необходимо учитывать значительные колебания параметров, встречающиеся в коммерчески доступных устройствах, или ситуации, когда неожиданные задержки в оптоизоляторах приводят к короткому замыканию на одной стороне H-моста. В технических характеристиках производителей обычно указываются только наихудшие значения критических параметров; фактические устройства часто превосходят эти наихудшие оценки непредсказуемым образом. Opto FET включаются без инжекции заряда переключения в выходную цепь, что особенно полезно в схемах выборки и удержания. Однако светодиоды, как и все полупроводниковые диоды, способны обнаруживать входящий свет, что позволяет создать двухсторонний оптический изолятор из пары светодиодов. Самый простой двунаправленный оптический изолятор – это всего лишь пара светодиодов, расположенных друг напротив друга и соединенных термоусадочной трубкой. При необходимости расстояние между двумя светодиодами можно увеличить, используя вставку из оптического волокна. Светодиоды видимого спектра имеют относительно низкую эффективность передачи, поэтому для двунаправленных устройств предпочтительнее светодиоды из GaAs, GaAs:Si и AlGaAs:Si в ближней инфракрасной области спектра. Двунаправленные оптические изоляторы, построенные на основе пар светодиодов GaAs:Si, имеют коэффициент передачи тока около 0,06% в фотоэлектрическом или фотопроводящем режиме – меньше, чем у изоляторов на основе фотодиодов, но достаточно практичны для реальных приложений.

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.

Типы конфигураций

Обычно оптопары имеют конфигурацию закрытой пары. Эта конфигурация подразумевает оптопары, помещенные в непрозрачный корпус, где источник и датчик расположены друг напротив друга. Некоторые оптопары имеют конфигурацию с щелевым оптопарой/прерывателем. Эта конфигурация относится к оптопарам с открытой щелью между источником и датчиком, способной влиять на входящие сигналы. Конфигурация щелевого оптопары/прерывателя подходит для обнаружения объектов, обнаружения вибрации и коммутации без дребезга контактов. Некоторые оптопары имеют отражательную конфигурацию пары. Эта конфигурация подразумевает оптопары, содержащие источник света и датчик, который обнаруживает свет только при его отражении от объекта. Отражательная конфигурация пары подходит для разработки тахометров, датчиков движения и мониторов отражения. Последние две конфигурации часто называют оптосенсорами или фотоэлектрическими датчиками.