Оптрон - это... Виды, описание, принцип работы, применение

Оптроны широко используются в современной электронике для передачи сигналов между электрическими цепями без непосредственного контакта. Они позволяют решать задачи гальванической развязки, защиты от высокого напряжения, бесконтактного управления и контроля. В этой статье мы подробно рассмотрим, что такое оптрон, принцип его работы, основные параметры и сферы применения.

История создания оптрона

Первую коммерческую оптопару, состоящую из лампы и фотоэлемента, запатентовал в 1920-х годах американский изобретатель Чарльз Флеминг. Это устройство позволяло измерять яркость света и использовать его для управления электрическими цепями.

В 1950-х инженер корпорации IBM Джон Моучли предложил новый тип оптрона, где в качестве источника света использовался светодиод, а в качестве приемника - фототранзистор или фотодиод. Это повысило эффективность и быстродействие оптронов.

А в 1955 году немецкий физик Эгон Лебнер изобрел оптрон – полупроводниковый аналог оптопары, который стал широко применяться в электронной промышленности. Он использовал в конструкции только полупроводниковые элементы, что позволило сделать оптроны более компактными.

В дальнейшем оптроны продолжали совершенствоваться, расширялось их применение в различных областях электроники и автоматики.

Что такое оптрон и принцип работы

Оптрон представляет собой электронный компонент, состоящий из двух основных частей:

• Источник света (светодиод, лампа)
• Фоточувствительный приемник (фотодиод, фототранзистор, фоторезистор)

Эти две части разделены, но оптически связаны между собой. Когда на вход оптрона подается электрический сигнал, источник света начинает светиться и посылает пучок на фотоприемник. Фотоприемник в свою очередь преобразует свет обратно в электрический ток.

Таким образом, оптрон позволяет передавать электрические сигналы между двумя цепями без непосредственного контакта. Это дает такие преимущества, как гальваническая развязка цепей, защита от высокого напряжения, исключение искрения контактов.

Оптроны применяются для связи между управляющими устройствами и объектами управления, в схемах автоматики, приборах контроля, измерительных комплексах и многом другом.

Области применения оптронов

Оптроны нашли широкое применение в различных областях благодаря своим уникальным свойствам. Рассмотрим основные сферы использования этих полезных электронных компонентов.

Гальваническая развязка цепей

Одно из главных достоинств оптронов - обеспечение надежной электрической изоляции между цепями. Это позволяет разделять цепи с разными потенциалами, предотвращая протекание паразитных токов. Оптроны применяются для гальванической развязки в блоках питания, источниках вторичного электропитания, измерительных приборах, средствах связи и управления.

Работа в опасных средах

Благодаря отсутствию электрического контакта оптроны могут использоваться во взрывоопасных средах, при высоких температурах, в агрессивных химически active средах. Они применяются в датчиках, исполнительных механизмах роботов, работающих в сложных условиях.

Управление мощными устройствами

Оптроны позволяют бесконтактно управлять работой мощных тиристоров, силовых транзисторов, электродвигателей, реле, магнитных пускателей. Они широко используются в силовой электронике, преобразователях энергии, устройствах управления двигателями.

Автоматизация производства

В автоматических системах управления технологическими процессами оптроны выполняют функции датчиков, исполнительных устройств, гальванической развязки. Они необходимы для надежной и безопасной работы станков, конвейеров, роботов.

Это лишь некоторые из многочисленных областей использования оптронов. Далее мы более подробно рассмотрим их параметры, классификацию и особенности различных типов.

Параметры и характеристики оптронов

Для правильного выбора оптрона необходимо знать его основные технические характеристики и параметры. Рассмотрим наиболее важные из них.

Коэффициент передачи тока

Одним из ключевых параметров оптрона является коэффициент передачи тока (CTR). Он показывает отношение тока на выходе оптрона к току управления на входе:

CTR = Ивых / Ивх

Чем выше CTR, тем меньший входной ток нужен для управления оптроном. CTR может достигать 1000% и более для современных оптронов.

Скорость передачи сигнала

Этот параметр определяет максимальную частоту сигнала, который может передавать оптрон. Он зависит от быстродействия источника света и фотоприемника. Скоростные оптроны могут работать на частотах до сотен мегагерц.

Напряжение изоляции

Это максимальное допустимое напряжение между входом и выходом оптрона, которое не приводит к пробою изоляции. Чем выше это напряжение, тем надежнее гальваническая развязка. У современных оптронов оно составляет от 1 до 10 кВ.

Помимо перечисленных, существует множество других важных характеристик - входное и выходное напряжение, токи, мощности, диапазон рабочих температур, габариты, масса и т.д. Их нужно анализировать под конкретную задачу.

Конструктивные исполнения оптронов

Оптроны выпускаются в различных конструктивных исполнениях. Рассмотрим основные варианты.

По типу оптической связи

• Открытые — с воздушным зазором между источником света и приемником.
• Закрытые — с заполненным оптически прозрачным материалом зазором.
• Щелевые — с узкой щелью между элементами.

По количеству каналов

• Одноканальные — одна пара источник света - приемник.
• Многоканальные — несколько оптопар в одном корпусе.

По корпусу

• В пластмассовых корпусах типа DIP.
• В металлостеклянных корпусах.
• В миниатюрных SMD корпусах и др.

Конструкция оптрона должна соответствовать условиям эксплуатации - диапазону температур, внешним воздействиям, требованиям к габаритам и монтажу.

Классификация оптронов

Существует несколько способов классифицировать оптроны в зависимости от их свойств и характеристик.

По типу фотоприемника

По этому признаку выделяют:

• Диодные оптроны на основе фотодиодов.
• Транзисторные оптроны с фототранзисторами.
• Резисторные оптроны на фоторезисторах.

По степени интеграции

Здесь различают:

• Элементарные оптроны, состоящие из отдельных компонентов.
• Гибридные оптроны, объединяющие несколько оптопар в одном корпусе.
• Интегральные оптроны на основе микросхем.

По назначению

• Оптопары для передачи информационных сигналов.
• Оптореле для коммутации силовых цепей.
• Оптотиристоры и оптосимисторы.

Классификация оптронов помогает правильно выбрать тип оптрона для конкретного применения. Далее мы более подробно рассмотрим особенности различных оптронов.

Маркировка и обозначения оптронов

Для идентификации типа оптрона используется буквенно-цифровая маркировка, нанесенная на корпус. Рассмотрим ее основные элементы.

Первые буквы обозначают тип фотоприемника:

• PD - фотодиод
• PT - фототранзистор
• PC - фоторезистор

Маркировка и обозначения оптронов

Для идентификации типа оптрона используется буквенно-цифровая маркировка, нанесенная на корпус. Рассмотрим ее основные элементы.

Первые буквы обозначают тип фотоприемника:

• PD - фотодиод
• PT - фототранзистор
• PC - фоторезистор

Далее следует цифра, обозначающая конструктивные особенности оптрона:

• 1 - миниатюрный корпус
• 2 - металлостеклянный корпус
• 3 - пластмассовый корпус

После этого может стоять буква, указывающая на особые свойства:

• H - высокое быстродействие
• L - линейные характеристики
• V - высокое напряжение изоляции

В конце обозначения стоит цифра, означающая порядковый номер разработки.

Например, PT328V - транзисторный оптрон в пластмассовом корпусе с высоким напряжением изоляции, 28-я разработка.

Выбор оптрона для конкретных задач

При выборе оптрона для использования в устройстве нужно учитывать ряд факторов:

• Требуемый ток и напряжение в цепях
• Необходимость в гальванической развязке
• Диапазон рабочих температур
• Быстродействие оптрона

Для маломощных сигнальных цепей подойдут диодные или транзисторные оптопары. В силовых цепях используют оптореле и оптотиристоры.

Если нужна передача высокочастотных сигналов, выбирают быстродействующие оптроны. Для работы в широком температурном диапазоне - оптроны в герметичных корпусах.

Ошибкой будет использовать слаботочный оптрон в мощной цепи или высоковольтный оптрон там, где достаточно низковольтного. Правильный выбор оптрона повышает надежность устройства.

Схемы включения оптронов

Рассмотрим типовые схемы включения оптронов в электрические цепи.

Гальваническая развязка сигнальных цепей

Здесь оптрон разделяет цепи управления и исполнительного устройства, предотвращая протекание паразитных токов между цепями. Часто используются диодные или транзисторные оптопары.

Управление мощной нагрузкой

В этом случае оптрон управляет зажиганием силового тиристора или реле, коммутирующего мощную нагрузку. Применяют оптотиристоры и оптореле.

Оптрон в импульсном источнике питания

Здесь оптрон обеспечивает гальваническую развязку между управляющей схемой и силовой частью преобразователя, работающего на высокой частоте.

Правила эксплуатации оптронов

Для обеспечения надежной работы оптронов необходимо соблюдать следующие правила:

• Не превышать допустимых токов и напряжений.
• Исключить перегрев, обеспечив охлаждение при необходимости.
• Защитить от статического электричества.
• Выполнять качественную пайку выводов.

Следуя этим рекомендациям, можно продлить срок службы оптронов и повысить надежность работы устройств на их основе.

Неисправности оптронов и способы ремонта

Рассмотрим типичные неисправности оптронов и возможности их устранения.

Не светится или мигает светодиод

Причина - перегорел светодиод или обрыв в цепи управления. Необходимо проверить тестером цепь питания светодиода и при необходимости заменить его.

Отсутствует выходной сигнал

Возможная причина - выход из строя фотоприемника. Следует замерить сопротивление фотодиода или базовой цепи фототранзистора и сравнить с паспортными данными.

Низкий выходной ток

Может быть вызвано загрязнением оптического канала или старением светодиода. Необходимо прочистить оптику и при необходимости заменить светодиод.

Пробой изоляции между входом и выходом

Причиной является электрический пробой изоляции. Требуется замена оптопары или восстановление изоляции при возможности.

Таким образом, многие неисправности оптронов можно устранить путем замены вышедших из строя компонентов и восстановления электрической изоляции.