Оптрон: принцип работы, устройство
Оптроны - незаменимые элементы в современной электронике. Эти устройства позволяют передавать сигналы между электрически развязанными цепями при помощи света. Но как именно работает оптрон? Каково его внутреннее устройство? В этой статье мы разберем принцип действия оптронов, рассмотрим их основные типы и особенности применения.
Оптрон: что это такое и для чего нужно (основное назначение и принцип работы)
Оптрон представляет собой оптоэлектронный прибор, состоящий из светодиода и фотоприемника, заключенных в общий корпус и оптически связанных между собой. Основное назначение оптрона - передача электрических сигналов между гальванически развязанными цепями посредством светового излучения.
Принцип работы оптрона основан на преобразовании электрического сигнала в световой поток, его передаче по оптическому каналу и последующем обратном преобразовании в электрический сигнал. Таким образом, происходит двойное преобразование энергии - электрической в световую, а затем световой обратно в электрическую.
Подробнее принцип работы оптрона выглядит следующим образом:
- На вход светодиода поступает электрический сигнал.
- Светодиод преобразует электрический сигнал в световой поток.
- Световой поток попадает на фотоприемник.
- Фотоприемник преобразует свет обратно в электрический сигнал.
- Электрический сигнал с фотоприемника поступает на выход оптрона.
Благодаря такому принципу работы достигается гальваническая развязка между входной и выходной электрическими цепями - они оказываются электрически изолированы друг от друга оптическим каналом.
Типы оптронов и их внутреннее устройство
Существует несколько разновидностей оптронов, которые различаются типом используемого фотоприемника:
- Диодные оптроны. Используют в качестве фотоприемника обычный фотодиод. Обеспечивают наилучшую линейность характеристики и часто применяются в аналоговых схемах.
- Транзисторные оптроны. В качестве фотоприемника используют биполярный или полевой транзистор. Обладают бóльшим коэффициентом передачи и чаще всего применяются в цифровых и импульсных схемах.
- Тиристорные оптроны. Фотоприемник выполнен на основе фототиристора. Используются для коммутации мощных силовых цепей.
- Резисторные оптроны. В качестве фотоприемника применен фоторезистор, сопротивление которого меняется под действием света. Часто называются фоторезисторами.
- Дифференциальные оптроны. Имеют дифференциальную схему фотоприемника, что позволяет улучшить линейность передаточной характеристики. Применяются для передачи аналоговых сигналов.
Таким образом, в зависимости от типа фотоприемника оптроны подходят для различных областей применения и режимов работы.
Параметры и характеристики оптронов
Рассмотрим основные параметры, которые необходимо учитывать при выборе оптрона:
- Коэффициент передачи. Показывает, во сколько раз выходной ток оптрона больше входного. Чем выше коэффициент передачи, тем меньше требуется усиление выходного сигнала.
Параметры гальванической развязки
- Допустимое напряжение между входом и выходом
- Сопротивление изоляции
- Проходная емкость
Эти параметры определяют эффективность гальванической развязки.
Частотные характеристики
Максимальная полоса пропускания оптрона ограничена инерционностью светодиода и фотоприемника. Цифровые оптроны могут работать на частотах до сотен МГц, аналоговые - до единиц МГц.
Помимо этих параметров следует обращать внимание на рабочую температуру, времена нарастания/спада импульсов, шумы, нелинейные искажения и другие характеристики в зависимости от области применения.
Области применения оптронов
Оптроны широко используются в электронной аппаратуре для решения различных задач:
- Гальваническая развязка. Основное применение оптронов - передача сигналов между электрическими цепями с разной коммутационной аппаратурой для их гальванической развязки.
- Бесконтактное управление. Оптроны позволяют осуществлять бесконтактное управление различными устройствами, не допуская электрической связи между цепями.
- Датчики. В оптронах с открытым оптическим каналом его можно механически перекрывать, используя в качестве датчиков перемещения, наличия объектов и т.д.
- Реле. Оптопары с полевым транзистором в качестве фотоприемника могут работать как твердотельные реле, коммутируя силовые цепи. Кроме того, оптроны широко используются в схемах управления, автоматики, измерительных устройствах, средствах связи и многих других областях.
Пример схемы: оптрон в импульсном источнике питания
Принцип работы оптрона в блоке питания заключается в передаче обратной связи от выходного напряжения для его стабилизации. Рассмотрим схему импульсного стабилизатора напряжения на оптроне:
Здесь в качестве элемента сравнения используется светодиод оптрона. При увеличении выходного напряжения увеличивается ток через светодиод, что приводит к открытию транзистора оптрона. Транзистор оптрона ограничивает импульсы управления транзистором VT1, стабилизируя выходное напряжение. Так оптрон обеспечивает отрицательную обратную связь в схеме стабилизатора.
Аналогичный принцип применяется и в других источниках питания для стабилизации напряжения с помощью оптронов.
Достоинства и недостатки оптронов
Рассмотрим основные преимущества и недостатки оптронов:
Достоинства:
- Надежная гальваническая развязка цепей
- Высокая помехозащищенность за счет отсутствия электрической связи
- Широкий температурный диапазон работы
- Простота и надежность конструкции
- Возможность работы на высоких частотах
- Долговечность, отсутствие подвижных частей
Недостатки:
- Невысокий КПД из-за двойного преобразования энергии
- Температурная нестабильность параметров
- Ограничения на максимальную скорость передачи данных
- Подверженность наводкам из-за емкостной связи
- Высокая стоимость
Тем не менее, достоинства оптронов перевешивают их недостатки в большинстве практических применений.
Советы по выбору оптрона для конкретной задачи
При выборе оптрона для использования в электронной схеме необходимо учитывать следующие факторы:
- Тип сигнала - цифровой или аналоговый
- Максимальная рабочая частота
- Требуемый коэффициент передачи
- Необходимость работы с мощной нагрузкой
- Допустимый уровень искажений
- Температурный диапазон
- Напряжение гальванической развязки
Для аналоговых сигналов лучше подойдут диодные или дифференциальные оптроны. В цифровых схемах чаще применяют транзисторные оптроны. При работе с мощными нагрузками используют тиристорные или релейные оптроны.
Также важно уделить внимание качеству изготовления оптрона и стабильности его параметров. Лучше отдавать предпочтение проверенным производителям.
Тенденции развития оптронов
Современные тенденции в развитии оптронов направлены на:
- Повышение быстродействия за счет применения новых материалов
- Увеличение линейности и точности
- Снижение искажений и шумов
- Расширение температурного диапазона
- Повышение плотности монтажа за счет миниатюризации
- Снижение энергопотребления
- Удешевление производства
Активно ведутся разработки оптронов на основе новых материалов, таких как кремний, арсенид галлия, нитрид галлия. Появляются микрооптроны, выполненные по СБИС-технологии. Внедряются новые схемотехнические решения для улучшения характеристик.
Все это позволит расширить области применения оптронов и повысить их технико-экономические показатели. Несмотря на широкое распространение, оптроны до сих пор имеют потенциал для внедрения в новых областях.
Силовая электроника
Мощные тиристорные и релейные оптроны могут использоваться в схемах управления силовыми приборами - тиристорами, IGBT-транзисторами, силовыми MOSFET. Это позволит уйти от громоздких электромеханических реле.
Для гальванической развязки цепей в преобразователях высокого напряжения перспективно применение оптронов на основе широкозонных полупроводников, выдерживающих напряжение в десятки киловольт.
Экстремальная электроника
Благодаря термостойкости и радиационной стойкости оптроны могут использоваться в электронике для экстремальных условий - высоких/низких температур, агрессивных сред, радиации.
Оптроны с волоконно-оптическими входом/выходом позволят упростить сопряжение электрических и оптических цепей в высокоскоростных линиях связи.
Оптроны в космических аппаратах
Рассмотрим применение оптронов в космических аппаратах.
Оптроны широко используются в бортовой аппаратуре космических аппаратов благодаря своей высокой надежности и стойкости к внешним воздействиям.
Основные области применения оптронов в космосе:
- Гальваническая развязка цепей питания и управления
- Передача цифровых и аналоговых сигналов
- Защита от импульсных перенапряжений
- Коммутация силовых цепей
- Датчики положения солнечных батарей
Дополнительные требования к оптронам для космоса - повышенная радиационная стойкость, расширенный температурный диапазон, долговечность. Как правило, применяются специализированные космические оптроны.
Таким образом, оптроны являются незаменимыми компонентами бортовой аппаратуры космических аппаратов, обеспечивая надежную передачу сигналов в жестких условиях космоса.