Основы оптопары: принцип работы, типы и практические применения

Что такое оптопара?

Как разработчик печатных плат, инженер или любитель электроники, вы имеете дело с множеством переключателей, реле и сопрягающих элементов для настройки вашей печатной платы. Среди множества доступных на рынке компонентов ПП трудно определить, какой из них лучше всего подойдет для вашего проекта.

Например, вы можете задаться вопросом: что делает оптопара и чем она отличается от обычного реле. В данном руководстве мы подробно разберем оптопару, её различные типы и то, как она может быть полезна вам и вашему проекту.

Что такое оптопара

Оптопары известны под множеством имен: оптоизолятор, фотопара, оптический сопрягатель, оптический изолятор или просто оптопара. Некоторые даже называют их «опционами». Тем не менее, оптопары — это интегральные электронные компоненты. Как правило, самые базовые типы имеют прямоугольный корпус с четырьмя выводами. Каждый вывод представляет собой субкомпонент: первый вывод — анод, второй — катод, третий — коллектор, четвёртый — эмиттер.

LTV-816 одноканальный оптоизолятор

Источник: Wikimedia Commons

Кроме того, на углу корпуса рядом с первым выводом находится круглое углубление. Оно позволяет идентифицировать различные выводы. На корпусе также нанесен текст с номером оптопары, по которому можно определить её тип и найти даташит производителя.

По сути, оптопара — это твердотельное реле, соединяющее две отдельные электронные цепи. Первая цепь подключается к первым двум выводам (1 и 2), вторая — к последним двум (3 и 4). Это позволяет первой цепи управлять второй.

Легко перепутать оптопару с интегральной схемой (микросхемой) из-за внешнего сходства. Это особенно верно для оптопар с триаком.

Электронные микросхемы на белом фоне

Как работает оптопара?

Оптопара используется для передачи электронных сигналов между двумя изолированными цепями. Это одна из её ключевых особенностей. Иногда в одной цепи возникают скачки напряжения и шумы. Без изоляции оптопарой эти помехи могут перекинуться во вторую цепь и вызвать повреждение. Оптопара предотвращает такое повреждение в обеих цепях.

Кроме того, оптопара пропускает электроны только в одном направлении благодаря своим полупроводниковым материалам. Следовательно, это позволяет двум соединенным цепям использовать разные напряжения и токи.

Более того, она расширяет возможности вашего устройства. Это во многом обусловлено тем, как она обеспечивает гальваническую изоляцию между двумя отдельными цепями. Например, мы могли бы добавить транзистор во вторую цепь без вмешательства в первую в конфигурации из двух цепей. Это позволило бы управлять даже более высокими напряжениями и токами. Кроме того, это потенциально позволяет автоматизировать управление цепью за счет добавления электронных компонентов.

Структура оптопары

Оптопары выпускаются в множестве типов и конфигураций. Однако, для простоты понимания, мы сосредоточимся в основном на фототранзисторной версии.

Схема фототранзисторной оптопары

Источник: Wikimedia Commons

На приведенной выше схеме изображен фототранзистор, соединяющий две цепи. Если внимательно посмотреть на часть схемы с фототранзистором, вы заметите, что слева находится символ светодиода (LED):

Символ светодиода

Источник: Wikimedia Commons

Справа же находится символ транзистора:

Символ транзистора

Источник: Wikimedia Commons

Легко заметить, что фототранзистор представляет собой модифицированную версию обычного транзистора. Кроме того, становится понятно, почему выводы 3 и 4 на стороне транзистора называются коллектором и эмиттером. Также понятно, почему первые два вывода называются анодом и катодом.

Обычные транзисторы имеют три вывода. Однако здесь есть небольшая разница. Базовый вывод, присутствующий в обычном транзисторе, отсутствует в схеме фототранзистора. Это связано с тем, что транзистор в оптопаре работает немного иначе. Вместо использования электрических сигналов с базового вывода, транзистор в оптопаре использует свет от светодиода.

Свет исходит от светодиода и попадает на транзистор, открывая его и позволяя току течь в основной электрической цепи. Они реагируют на оптический вход, а не только на электрический входной ток. Оптопары выпускаются в двух распространенных топологиях: внутренние компоненты могут располагаться либо друг над другом, либо рядом.

Топологии оптопар

Источник: Wikimedia Commons

Хотя мы не можем увидеть внутреннее устройство фототранзистора (если он не полупрозрачный), мы можем создать свой собственный, используя простую схему. Мы рассмотрим это дальше в руководстве. Но сначала давайте изучим другие типы оптопар.

Типы оптопар

Оптопара, удерживаемая пинцетом

Существует шесть наиболее распространенных типов оптопар:

• Резистивная оптопара: Это были самые ранние оптопары. Они используют лампы накаливания, неоновые лампы и инфракрасные светодиоды на арсениде галлия (GaAs) как источники света. В качестве фоторезистора используется сульфид кадмия. Их также называют «вактролами». Поскольку это более старые фоточувствительные устройства, они работают медленнее современных оптопар, поэтому практически устарели.
• Диодная оптопара: Используют инфракрасные светодиоды на GaAs в качестве источников света и кремниевые фотодиоды в качестве приемников. Это делает их самыми быстрыми оптопарами — особенно при использовании PIN-диодов.
• Транзисторная оптопара: Как и диодные, используют инфракрасные светодиоды на GaAs. Однако в качестве датчиков применяют биполярные кремниевые фототранзисторы или фототранзисторы Дарлингтона. Их скорости передачи и времени отклика выше, чем у резистивных, но ниже, чем у диодных оптопар.
• Оптоизолированный ИУН (SCR): Используют инфракрасные светодиоды вместе с кремниевыми управляемыми выпрямителями. Их скорости передачи могут варьироваться, но в любой конфигурации они не так быстры, как диодные оптопары. Тем не менее, у них достойное время отклика и скорость передачи.
• Оптоизолированный триак: Используют триод для переменного тока (триак) в качестве типа датчика в дополнение к инфракрасному светодиоду на GaAs. Хотя у них невысокая скорость передачи, они обладают очень высоким коэффициентом передачи тока.
• Твердотельное реле: Используют стек инфракрасных светодиодов на GaAs в качестве источников света и стек фотодиодов, управляющих парой MOSFET или одиночным IGBT в качестве датчиков. Могут иметь очень высокую скорость передачи и неограниченный коэффициент передачи тока.

Как создать простую схему с оптопарой

Оптопара, удерживаемая пинцетом перед печатной платой

Список деталей:

• Фоторезистор (LDR) 50–100 кОм
• Белый светодиод 3В 0.02А
• Красный светодиод 2В 0.02А
• Крона 9В × 2
• Выключатель
• Резистор 300 Ом
• Резистор 150 Ом × 2 (или один 300 Ом)

Пояснение и инструкции:

Красный светодиод и оптопара

Эта простая оптопара использует фоторезистор (LDR) и белый светодиод. LDR изменяет свое сопротивление в зависимости от освещенности. В темноте оно очень велико, а при ярком свете — очень мало. В данном контексте он выполняет функцию фотоэлемента.

В первичной цепи нам понадобится белый светодиод с падением напряжения 3 вольт и током 0.02 ампера. В качестве источника питания используем крону 9 вольт, а управлять цепью будем с помощью выключателя. Поскольку белый светодиод требует ток 3 вольт, нам нужен резистор с падением 6 вольт. Следовательно, резистор должен иметь сопротивление 300 Ом ((9В – 3В) ÷ 0.02А).

Таким образом, ваша первичная цепь будет состоять из батареи, положительно подключенной к выключателю, резистору и белому светодиоду. Для соединения компонентов можно использовать макетную плату или провода. Все вместе это будет служить нашей управляющей цепью.

Во вторичной цепи будет красный светодиод с падением напряжения 2 вольта и током 0.02 ампера.

Он будет служить индикатором работы цепи. Кроме того, мы подключим LDR к этой цепи. Очевидно, LDR должен находиться рядом с белым светодиодом.

LDR будет обеспечивать сопротивление примерно 70 Ом при освещении светом от светодиода. Вам нужно соединить LDR с красным светодиодом. Для питания вторичной цепи используем еще одну крону 9 вольт. Снова нужен резистор для снижения напряжения, чтобы светодиод работал эффективно. Рекомендуем использовать два резистора 150 Ом, но подойдет и один 300 Ом.

После сборки схемы необходимо обмотать черной изолентой LDR и белый светодиод, обеспечивая их контакт. Это заблокирует окружающий свет в комнате. Альтернативно можно протестировать схему в полностью темной комнате.

Когда вы нажимаете кнопку первичной цепи (входной цепи), белый светодиод загорается. Затем он светит на LDR, который включает красный светодиод в выходной цепи. Свет от белого светодиода работает как электрический сигнал в выключателе. Этот проект достаточно прост, чтобы проиллюстрировать внутреннюю работу оптопары. Однако его можно улучшить, реализовав инфракрасный излучатель и приемник. Вместо видимого света этот проект будет использовать инфракрасный свет.

Применение оптопар

Малая сборка печатной платы с ИС, конденсатором, оптопарой и другими полупроводниками

Теперь, когда мы понимаем, как работают оптопары, можно рассмотреть области их применения. Оптопары можно использовать как простые световключатели. Но для какого электронного оборудования и устройств они подходят лучше всего? Вот список возможных применений:

• Управление соленоидами
• Управление двигателями
• Регуляторы яркости ламп накаливания
• Микропроцессоры
• Балласты для ламп
• Детектирование переменного тока
• Гальваническая изоляция напряжения
• Электромагнитные переключатели
• Микроконтроллеры

Преимущества оптопар

Набор оптопар

Почему стоит использовать оптопары вместо электромеханических реле или переключателей? Вот лишь некоторые преимущества:

• Обеспечивают одностороннюю передачу электрических сигналов
• Делают проекты более надежными за счет устойчивости к помехам
• Обеспечивают гальваническую изоляцию между несколькими цепями
• Разделяют входные и выходные секции проекта, упрощая поиск неисправностей
• Уменьшают внешние выходные сигналы во входной секции цепи
• Позволяют управлять большими цепями переменного тока с помощью малых цифровых сигналов
• Позволяют передавать аналоговый сигнал между двумя отдельными цепями
• Позволяют взаимодействовать высоковольтным компонентам с низковольтными устройствами
• Помогают снизить или полностью устранить электрические шумы в сигналах
• Позволяют проектировать и создавать электронные устройства, более устойчивые к скачкам питания, перенапряжениям и ударам молнии

Заключение

В данном тексте мы предоставили понятное и глубокое руководство по оптопарам. Если вы дочитали до этого раздела, у вас есть более глубокое понимание оптопар. Мы надеемся, что это руководство оказалось полезным. Как всегда, спасибо за чтение.