O par "emissor óptico - receptor óptico" tem sido usado há muito tempo em eletrônica e engenharia elétrica. Um componente eletrônico no qual o receptor e o transmissor estão localizados na mesma carcaça e existe um link óptico entre eles é chamado de optoacoplador ou optoacoplador.
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Dispositivo optoacoplador
O optoacoplador consiste em um transmissor óptico (emissor), um canal óptico e um receptor de sinal óptico. O fototransmissor converte o sinal elétrico em óptico. O transmissor na maioria dos casos é um LED (modelos anteriores usavam lâmpadas incandescentes ou neon). O uso de LEDs não tem princípios, mas eles são mais duráveis e confiáveis.
O sinal óptico é transmitido através de um canal óptico para o receptor. O canal está fechado - quando a luz emitida pelo transmissor não ultrapassa o corpo do optoacoplador. Em seguida, o sinal gerado pelo receptor é sincronizado com o sinal na entrada do transmissor.Esses canais são de ar ou preenchidos com um composto óptico especial. Existem também optoacopladores "longos", o canal no qual é fibra ótica.
Se o optoacoplador for projetado de tal forma que a radiação gerada, antes de chegar ao receptor, saia da carcaça, tal canal é chamado de aberto. Com ele, você pode registrar obstáculos que surgem no caminho do feixe de luz.
O fotodetector realiza a conversão inversa do sinal óptico em elétrico. Os receptores mais usados são:
- Fotodiodos. Geralmente usado em linhas de comunicação digital. Sua linhagem é pequena.
- Fotoresistores. Sua característica é a condutividade bidirecional do receptor. A corrente através do resistor pode ir em qualquer direção.
- Fototransistores. Uma característica de tais dispositivos é a capacidade de controlar a corrente do transistor tanto através de um optotransmissor quanto através do circuito de saída. Usado nos modos linear e digital. Um tipo separado de optoacopladores - com transistores de efeito de campo paralelos. Tais dispositivos são chamados relés de estado sólido.
- Fototiristores. Tais optoacopladores se distinguem pelo aumento da potência dos circuitos de saída e sua velocidade de comutação; tais dispositivos são convenientemente usados no controle de elementos da eletrônica de potência. Esses dispositivos também são categorizados como relés de estado sólido.
Os microcircuitos optoacopladores se espalharam - montagens de optoacopladores com cintas em um pacote. Esses optoacopladores são usados como dispositivos de comutação e para outros fins.
Vantagens e desvantagens
A primeira vantagem observada em instrumentos ópticos é a ausência de peças mecânicas.Isso significa que durante a operação não há atrito, desgaste, faísca dos contatos, como nos relés eletromecânicos. Ao contrário de outros dispositivos para isolamento galvânico de sinais (transformadores, etc.), os optoacopladores podem operar em frequências muito baixas, incluindo corrente contínua.
Além disso, a vantagem do isolamento óptico é o acoplamento capacitivo e indutivo muito baixo entre entrada e saída. Devido a isso, a probabilidade de transmissão de impulso e interferência de alta frequência é reduzida. A ausência de conexão mecânica e elétrica entre a entrada e a saída oferece a possibilidade de uma variedade de soluções técnicas para a criação de circuitos de controle e comutação sem contato.
Apesar da limitação em projetos reais em termos de tensão e corrente para entrada e saída, em teoria não há obstáculos fundamentais para aumentar essas características. Isso permite que você crie optoacopladores para praticamente qualquer tarefa.
As desvantagens dos optoacopladores incluem transmissão de sinal unidirecional - é impossível transmitir um sinal óptico do fotodetector de volta ao transmissor. Isso dificulta a organização do feedback de acordo com a resposta do circuito receptor ao sinal do transmissor.
A reação da parte receptora pode ser influenciada não apenas alterando a radiação do transmissor, mas também influenciando o estado do canal (a aparência de objetos de terceiros, alterando as propriedades ópticas do meio do canal etc.). Tal impacto também pode ser de natureza não elétrica. Isso expande as possibilidades de uso de optoacopladores. E a insensibilidade a campos eletromagnéticos externos permite criar canais de transmissão de dados com alta imunidade a ruídos.
A principal desvantagem dos optoacopladores é a baixa eficiência energética associada às perdas de sinal durante a conversão de sinal duplo. Também uma desvantagem é o alto nível de ruído intrínseco. Isso reduz a sensibilidade dos optoacopladores e limita o escopo de sua aplicação onde é necessário trabalhar com sinais fracos.
Ao usar optoacopladores, a influência da temperatura em seus parâmetros também deve ser levada em consideração - é significativa. Além disso, as desvantagens dos optoacopladores incluem uma notável degradação dos elementos durante a operação e uma certa falta de tecnologia na produção associada ao uso de vários materiais semicondutores em um pacote.
Características dos optoacopladores
Os parâmetros do optoacoplador se dividem em duas categorias:
- caracterizar as propriedades do dispositivo para transmitir um sinal;
- caracterizando o desacoplamento entre entrada e saída.
A primeira categoria é o coeficiente de transferência atual. Depende da emissividade do LED, da sensibilidade do receptor e das propriedades do canal óptico. Este coeficiente é igual à razão entre a corrente de saída e a corrente de entrada e para a maioria dos tipos de optoacopladores é 0,005 ... 0,2. Para elementos transistorizados, o coeficiente de transferência pode chegar a 1.
Se considerarmos o optoacoplador como um quatro polos, sua característica de entrada é completamente determinada pelo CVC do optoemissor (LED) e a saída - pela característica do receptor. A característica de passagem é geralmente não linear, mas alguns tipos de optoacopladores têm seções lineares. Então, uma parte do CVC do optoacoplador de diodo tem boa linearidade, mas essa seção não é muito grande.
Os elementos de resistência também são avaliados pela razão entre a resistência ao escuro (com uma corrente de entrada igual a zero) e a resistência à luz. Para optoacopladores de tiristores, uma característica importante é a corrente de retenção mínima no estado aberto. Os parâmetros significativos do optoacoplador também incluem a maior frequência de operação.
A qualidade do isolamento galvânico é caracterizada por:
- a tensão máxima aplicada à entrada e saída;
- tensão máxima entre entrada e saída;
- resistência de isolamento entre entrada e saída;
- capacidade de passagem.
O último parâmetro caracteriza a capacidade de um sinal elétrico de alta frequência vazar da entrada para a saída, contornando o canal óptico, através da capacitância entre os eletrodos.
Existem parâmetros que permitem determinar os recursos do circuito de entrada:
- a tensão mais alta que pode ser aplicada aos terminais de entrada;
- a corrente máxima que o LED pode suportar;
- queda de tensão no LED na corrente nominal;
- Voltagem de entrada reversa - Voltagem de polaridade reversa que o LED pode suportar.
Para o circuito de saída, essas características serão a corrente e tensão de saída máxima permitida, bem como a corrente de fuga na corrente de entrada zero.
Escopo dos optoacopladores
Os optoacopladores com canal fechado são usados onde, por algum motivo (segurança elétrica, etc.), é necessário o desacoplamento entre a fonte de sinal e o lado receptor. Por exemplo, em loops de feedback comutação de fontes de alimentação - o sinal é retirado da saída PSU, alimentado ao elemento radiante, cujo brilho depende do nível de tensão.Um sinal dependendo da tensão de saída é retirado do receptor e enviado ao controlador PWM.
Um fragmento de um circuito de fonte de alimentação de computador com dois optoacopladores é mostrado na figura. O optoacoplador superior IC2 cria um feedback que estabiliza a tensão. O IC3 inferior opera em modo discreto e fornece energia ao chip PWM quando a tensão de espera está presente.
O isolamento galvânico entre a fonte e o receptor também é exigido por algumas interfaces elétricas padrão.
Dispositivos com canal aberto são usados para criar sensores para detectar quaisquer objetos (presença de papel na impressora), interruptores de limite, contadores (objetos no transportador, número de dentes de engrenagem em manipuladores de mouse), etc.
Os relés de estado sólido são usados no mesmo local que os relés convencionais - para comutação de sinais. Mas sua propagação é dificultada pela alta resistência do canal no estado aberto. Eles também são usados como drivers para elementos de eletrônica de estado sólido de potência (potentes transistores de efeito de campo ou IGBT).
O optoacoplador foi desenvolvido há mais de meio século, mas seu uso generalizado começou depois que os LEDs se tornaram acessíveis e baratos. Agora todos os novos modelos de optoacopladores estão sendo desenvolvidos (na maioria, microcircuitos baseados neles), e seu escopo está apenas se expandindo.
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