Что такое оптрон для чего он нужен
Виды и устройство оптронов (оптопар)
Оптрон также называется оптопарой. Он состоит из фотоприемника и непосредственно излучателя. Оба элементы помещаются в герметичный корпус, где создан вакуум. Есть огромное количество разновидностей оптопар. Это диодные виды, резисторные или тиристорные оптопары, но существуют и другие. Ее название зависит от типа фотоприемника. Излучателем служит, как правило, светодиод, основанный на полупроводниковом эффекте. Обычны это инфракрасный свет с длиной волны 0,9-1,2 мКм.
Также существуют светодиоды красного света и даже имеющие в качестве источника света лампы накаливания. В статье будет рассказано о строении таких оптопар, как они устроены и где они применяются. В качестве дополнения, статья содержит два видеоролика и одна научная статья.
Что это такое
Конструкция оптрона подразумевает наличие специального светового излучателя (в современных устройствах для этого применяются световые диоды, прежние модели оснащались малогабаритными лампами накаливания) и устройства, отвечающего за преобразование полученного оптического сигнала (фотоприёмника). Обе эти составляющие объединяются при помощи оптического канала и общего корпуса.
Существует несколько характеристик, в соответствии с которыми можно разделить модели оптопар на несколько групп. В зависимости от степени интеграции:
В зависимости от разновидности оптического канала:
В зависимости от типа фотоприёмника:
Оптопарой (иначе – оптроном) называют электронные прибора предназначенные для преобразования электрических сигналов в световые, их передачи через оптические каналы и повторного преобразования сигнала вновь в электрический.
Конструкция устройств последнего вида зачастую дополняются полевыми транзисторами, за управление затвором которого отвечает тот же генератор. Фотосимисторные оптроны или те, которые оснащены полевыми транзисторами, могут называться «оптореле», либо «твердотельное реле».
Описание устройства
Излучатель – бескорпусный светодиод, – как правило, помещают в верхней части металлического корпуса, а в нижней – на кристаллодержателе – укрепляют кристалл кремниевого фотоприемника, например фототиристора. Все пространство между светодиодом и фототиристором заливают твердеющей прозрачной массой. Эту заливку покрывают отражающим внутрь световые лучи слоем, который препятствует рассеянию света за пределы рабочей зоны. Мало отличается от описанной конструкция резисторного оптрона.
Здесь в верхней части металлического корпуса укреплена сверхминиатюрная лампа накаливания, а в нижней – фоторезистор на основе селенистого кадмия. Фоторезистор изготавливают отдельно, на тонкой подложке из ситалла. На нее напыляют пленку из полупроводникового материала – селенида кадмия, а затем – формообразующие электроды из токопроводящего материала (например алюминия). К электродам приваривают выходные выводы. Жесткое соединение лампы и подложки между собой обеспечивается затвердевшей прозрачной массой. Отверстия в корпусе для выводов оптрона залиты стеклом. Герметичное соединение крышки и основания корпуса обеспечено сваркой.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристорного оптрона примерно такая же, что и у одиночного тиристора. При отсутствии входного тока (I=0 – темновая характеристика) фототиристор может включиться только при очень высоком значении приложенного к нему прямого напряжения (800…1000 В). Так как практически приложение столь большого напряжения недопустимо, то эта кривая имеет чисто теоретический смысл.
Если приложить к фототиристору прямое рабочее напряжение (от 50 до 400 В, в зависимости от типа оптрона), включение прибора возможно только при подаче входного тока, который теперь является управляющим. Скорость включения оптрона зависит от значения входного тока. Типичные значения времени включения t=5…10 мкс. Время выключения оптрона связано с процессом рассасывания неосновных носителей тока в переходах фототиристора и зависит только от значения протекающего выходного тока. Реальное значение времени выключения находится в пределах 10…50 мкс.
Максимальный и рабочий выходной ток фоторезисторного оптрона резко уменьшается при увеличении температуры окружающей среды выше 40 градусов по цельсия. Выходное сопротивление этого оптрона до значения входного тока 4 мА остается постоянным, а при дальнейшем увеличении входного тока (когда яркость свечения лампы накаливания начинает возрастать) резко уменьшается. Кроме описанных выше, существуют оптроны с так называемым открытым оптическим каналом. Здесь осветителем служит светодиод инфракрасного излучения, а фотоприемником могут быть фоторезистор, фотодиод или фототранзистор.
Отличие этого оптрона в том, что его излучение выходит наружу, отражается от какого-либо внешнего предмета и возвращается в оптрон, к фотоприемнику. В таком оптроне выходным током может управлять не только входной ток, но также изменение положения внешней отражающей поверхности. У оптронов с открытым оптическим каналом оптические оси излучателя и приемника расположены либо параллельно, либо под небольшим углом. Существует конструкции подобных оптронов с соосным расположением оптических осей. Такие приборы называют оптопрерывателями.
Структура и характеристики
В оптопарах применяются фотоприемники, чувствительные в ближней инфракрасной и видимой областях, поскольку именно для данной части спектра характерны источники интенсивного излучения, могущие работать в качестве фотоприемников без охлаждения. Фотоприемники с р-n-переходами (диоды и транзисторы) на основе кремния универсальны, область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи 0,8 мкм.
Оптопара характеризуется в первую очередь коэффициентом передачи по току CTR, то есть отношением токов входного и выходного сигналов. Следующий параметр — скорость передачи сигнала, по сути – граничная частота fc работы оптопары, связанная с временами фронта tr и среза tf для передаваемых импульсов. Наконец, параметры, характеризующие оптопару с точки зрения гальванической развязки: сопротивление развязки Riso, максимальное напряжение Viso и проходная емкость Cf.
В оптронах с управляемым оптическим каналом имеется дополнительное устройство управления, через которое можно с помощью электрических или магнитных средств влиять на свойства оптической среды. На стороне фотоприемника сигнал восстанавливается, с высоким быстродействием преобразуясь из оптического в электрический. Выходное устройство на стороне фотоприемника (например включенный в схему фототранзистор) призван преобразовать сигнал в стандартную электрическую форму, удобную для дальнейшей обработки в следующих за оптроном блоках. Оптопара зачастую не содержит входных и выходных устройств, поэтому ей требуются внешние цепи для создания нормального режима работы в схеме того или иного прибора.
Типы и разновидности
Оптоэлектронные устройства работают по-разному в зависимости от того, к какому из двух видов направлений они относятся:
Работа прибора базируется на принципе, в соответствии с которым происходит преобразование световой энергии в электрическую. Причём, переход осуществляется посредством твёрдого тела и происходящих в нём процессов внутреннего фотоэлектрического эффекта (выражающегося в испускании веществом электронов под воздействием фотонов) и эффекта свечения под действием электрического поля.
Прибор функционирует благодаря тонкому взаимодействию твёрдого тела и электромагнитного излучения, а также используя лазерные, голографические и фотохимические устройства.
Фотонные электронно-вычислительные машины компонуются с использованием одной из двух категорий оптических элементов:
Они являются моделями устройств соответственно электронно-оптического и оптического направлений.
Будет ли оптрон передавать сигнал линейно, определяется теми характеристиками, которыми обладает вмонтированный в конструкцию фотоприёмник. Наибольшую линейность передачи можно ожидать от резисторных оптронов. Как следствие, процесс эксплуатации подобных устройств отличается наибольшим удобством. Ступенью ниже стоят модели с фотодиодами и одиночными биполярными транзисторами. Для обеспечения работы импульсных приборов применяют оптроны на биполярных, либо полевых транзисторах, поскольку там нет необходимости в линейной передаче сигнала. Наконец, фототиристорные оптроны монтируют, чтобы обеспечить гальваническую изоляцию и безопасность эксплуатации устройства.
Применение
Существует множество сфер, в которых необходимо использование оптронов. Такая широта применения обусловлена тем, что они являются элементами, обладающими множеством различных свойств и на каждое их качество приходится отдельная сфера применения.
Использование транзисторных, либо интегральных оптопар особенно актуально, если требуется обеспечить гальваническую изоляцию в сигнальной цепи или цепи с незначительным управляющим током. Роль элемента управления могут выполнять трёхэлектродные полупроводниковые приборы, схемы, управляющие дискретными сигналами, а также цепи с особой специализацией.
Параметры и особенности работы устройства
Опираясь на точную конструкцию прибора, можно определить его электрическую прочность. Под этим термином понимается значение напряжения, возникающего между цепями входа и выхода.Так, производители оптопар, обеспечивающих гальваническую изоляцию, демонстрируют целый ряд моделей с различными корпусами:
В зависимости от типа корпуса у оптопары формируется то или иное напряжение изоляции. Чтобы создать условия, в которых уровень напряжения достаточный для пробоя изоляции был достаточно велик, следует сконструировать оптопару таким образом, чтобы следующие детали были расположены достаточно далеко друг от друга:
В отдельных случаях можно обнаружить оптопары специализированной группы, изготавливаемые в соответствии с международным стандартом безопасности. Уровень электрической прочности у этих моделей на порядок выше. Другой значимый параметр транзисторной оптопары носит название «коэффициента передачи тока». Согласно значению этого коэффициента устройство относят к той или иной категории, что и отображается в названии модели.
Относительно уровня нижней рабочей частоты оптронов никаких ограничений нет: они хорошо функционируют в цепи с постоянным током. А верхняя граница рабочей частоты этих приборов, задействованных в передаче сигналов цифрового происхождения, исчисляется в сотнях мегагерц. Для оптронов линейного типа этот показатель ограничивается десятками мегагерц. Для самых медленных конструкций, включающих в себя лампу накаливания, наиболее характерна роль низкочастотных фильтров, работающих на частотах, не достигающих 10 Герц
Существует две основные причины тому, что работа транзисторной пары сопровождается шумовыми эффектами:
Чтобы побороть первую причину, понадобится вмонтировать особый экран. Вторая же устраняется через верно подобранный рабочий режим.
Оптореле
Оптореле, иначе называемое твердотельным реле, обычно используется для регуляции работы цепи с большими управляющими токами. Роль управляющего элемента здесь обычно выполняют два MOSFET транзистора со встречным подключением, подобная конфигурация обеспечивает возможность функционирования в условиях переменного тока.
Классификация видов оптореле
Для оптореле определено три типа топологий:
Оптореле подобно оптопаре имеет характеристику по электрической прочности.
Сфера применения устройства
Используются они в самых различных сферах:
Оптопара принцип работы, оптроны принцип работы
Что такое оптопара – электронно-оптический аппарат (прибор), в котором присутствуют источник светового излучения и приемник того же излучения – фотоприемник, которые в свою очередь связаны конструктивно электрическими и оптическими связями.
В практическом применении наибольшего распространения нашли оптроны (в последнее время приобрели название оптопары), в которых нет электрических связей между приемником и излучателем, а есть только оптическая связь. По сложности составляющих структурных схем в оптронных изделиях различают 2 группы приборов:
Принцип работы оптопары
Основное предназначение оптопары заключается в развязке сигнальных цепей гальваническим методом.
Принцип действия оптопары для всех видов фотоприемников и излучательных элементов практически одинаковый и состоит в следующем: формируемый электрический сигнал на входе в излучатель, трансформируется в поток света, который далее принимается фотоэлементом и меняет проводимость последнего – меняя его сопротивление.
Другими словами принцип действия оптрона заключается в двойном трансформировании энергии.
Как работают оптронные устройства
Рассмотрим работу двух видов оптронных устройств: оптическо-электронное и оптическое.
Работа оптическо-электронного аппарата основывается на превращении энергии света в электрическую. Переход энергии происходит при помощи твердого тела и процессов электрических фотоэффектов и сияния («горения», «свечения») при воздействии электрического поля.
Эффект фотоэлектричества означает, что твердое тело может излучать электроны под действием фотонов.
Функционирование оптического устройства происходит при тесном взаимодействии электромагнитного испускания и твердого тела.
Схемы работы оптопар
Применение оптопар (оптронов) позволяет решать множество задач, в частности контроль значений параметров от различных датчиков – уровень, влажность, концентрация и т.д); использование в устройствах автоматики и релейных защит электрооборудования; в диагностических аппаратах. В тех или иных случаях схемы включения оптопар отличны друг от друга.
В качестве примера приведем несколько линейных схем:
Передача аналоговых сигналов осуществляется по развязанной гальванически цепи с использованием двух одинаковых оптронов, один из которых предназначен осуществляет обратную связь.
Часто применяется в радиотехнике. Выходной сигнал Блока 1 подается на Блок 2 посредством оптопары-диода. В случае использования в Блоке 2 микросхемы с небольшим током на входе, то усилитель не требуется и оптопара-диод работает в фотогенерирующем режиме.
Сигналы от фотоприемника оптопары удобно и практично использовать на воздействие исполнительных механизмов опять же через гальваническую развязку (к примеру: включение света, электродвигателе и другого оборудования).
На рисунке 4 изображена схема полупроводникового разомкнутого реле. Коммутация тока происходит в реле. Транзистор оптопары принимает фотосигнал и открывает VT1, VT2 транзисторы, далее включается нагрузка.
Устройство оптронов
В качестве излучателя используется светодиод, который размещается сверху в металлическом корпусе. В нижней части расположен фотоприемник (кремниевый кристалл). Свободное пространство заполняется затвердевающей массой, которая полностью прозрачна. Последняя покрыта отражателем для направления лучей, чтобы не рассеивались лучи за пределы зоны приемника.
Как правило, вывода оптронов заливаются жидким стеклом. Верхняя и нижняя часть крышки корпуса соединяются при помощи сварки.
Оптрон-резистор практически не отличается от вышеописанной конструкции. В нем используется в качестве излучателя лампа накала, а приемник выполнен из кадмия селенистого.
Применение оптопар
На сегодняшнее время оптопары очень хорошо изучены и широко распространены в различных сферах деятельности. Особое место применения оптронов в схемах для логического согласования различных блоков, которые содержат элементы с исполнительными органами.
Как уже было сказано, ранее оптроны применяются для гальванической развязки в цепях с отличными блоками, преобразования и модуляции импульсов для управления аппаратами, контроля и управления, сигнализации и защиты электрического оборудования и процессов (счетчики, коммутаторы, реле, электрические измерительные устройства).
Достоинства и недостатки оптопар
К основным достоинствам оптронов относится следующее:
К недостаткам оптронов относятся:
Оптрон (оптопара) PC817: datasheet, характеристики и схема включения
Популярность оптрона на транзисторе pc817 — очень велика. Он входит почти в любой импульсный элемент питания с гальваникой и с обратной связью.
Устройство обладает вполне удобным корпусом. Расстояние между выводами составляет 2,54 мм, ряды находятся на расстоянии друг от друга 7,62 мм.
Основным изготовителем PC817 является фирма Sharp, остальные фабрики электроники производят pc817 аналоги. Кстати, делая ремонт различной электроники, люди часто натыкаются в первую очередь на заменители, например, SFH618 от Сименс или TLP521-1 от Тошиба. Есть также двойной и тройной варианты оригинала: PC827 и PC837.
Но выгоднее применять не многоканальный заменитель, а определенное число PC817.
Схема подключения PC817
Она является обычной, как и для всех транзисторных оптронов. Входной ток должен быть ограничен. Для этого можно использовать резистор. Выходной ток также не должен превышаться.
Pc817 схему включения 372 можно увидеть на рисунке:
Pc817 характеристики на русском
Параметры светового диода PC817:
Параметры фототранзистора PC817
Параметры у него такие:
Нужно не забывать об еще одном важном параметре. Он называется коэффициентом передачи тока, CTR. Единицей его измерения являются %. В обозначении оптрона в pc817 datasheet он соответствует букве, идущей за главным кодом, как и в остальных оптронах pc817 и полупроводниках. 
Тестер оптронов
Форумы радиолюбителей часто содержат такое мнение, что, раз элемент стоит недорого, то зачем нужна pc817 проверка. Достаточно его просто вовремя менять.
На самом деле все не совсем так. Нужно понимать, сгорел оптрон или нет, чтобы сделать вывод, повредилось ли что-нибудь еще. Бывает так, что и новые оптопары горят, так как у них есть заводской брак.
Как проверить pc817? Для этого проводят прозвон светового диода с помощью тестера. Сначала выясните, есть ли короткое замыкание в транзисторе. После — пропустите ток через световой диод и убедитесь в открытии транзистора.
Создать простой прибор для тестирования оптронов можно в домашних условиях. Для этого вам понадобятся:
Световые диоды должны соответствовать силе тока от 5 до 20 мА и напряжению примерно 2 В. При этом на двух резисторах должно быть сопротивление в районе 300 В.
Источником питания тестера является Usb-порт с напряжением 5 В. Но можно использовать и 3-4 батарейки 2А. Подойдут и батарейки 9-12 В, или источник питания с таким же напряжением. Только здесь придется сделать пересчет сопротивлений двух резисторов.
Теперь рассмотрим, как работает оптопара, основываясь на разных экспериментах.
Исследования работы оптрона
Для проведения эксперимента нам понадобится несколько приборов:
К входу оптрона нужно подать сигнал определенного вида. При выходе его необходимо изучать указанными приборами.
После — такая же процедура проводится с участием осциллографа и генератора. Там формируется сигнал, амплитуда которого равна 5 В.
Что представляет собой оптопара
Перед нами одноканальное устройство, его оптический канал — закрыт. Он состоит из светового диода и фотографического транзистора, которые находятся в корпусе smd. Они, как правило, находятся в большей части импульс-блоков питания в обособленной цепи, где применяется обратная связь. Гальваническая развязка в таких схемах pc817 должна быть идеальной.
Где используется оптопара
Устройство применяется наряду с бюджетными контроллерами наподобие Arduino, Raspberry Pi. С его помощью передают контрольные сигналы (включение и выключение) в системах со слабым токам, по аналогии с электронным реле.
Цоколевка
С распиновкой РС817 все более или менее понятно. Устройство помещается в 4-контактный корпус DIP. Для него применяется и поверхностный, и дырочный монтаж.
В одном из контактов есть вдавленная точка, указывающая на анод светового диода изнутри. Нумерация ножек осуществляется по часовой стрелки. Вторым по счету идет катод. Выводы номер 3 и 4 являются эмиттером и коллектором.
Современные варианты прибора были с хорошим результатом протестированы в соответствии с международными стандартами. Они безопасны в эксплуатации и трудно воспламеняемы, как указано в pc817 даташит.
Как самостоятельно сделать простые устройства на оптроне
Вы можете встретить оптопару pc817 в телефонной зарядке или компьютерном блоке питания, поэтому добыть ее — совсем не трудно. На ее основе собирается простая светодиодная мигалка, имеющая стробоскопический эффект.
Нужно иметь при себе:
Первым делом нужно рассмотреть саму оптопару. В нее входят 2 детали, которые соединяет оптическая связь. Иными словами, при подаче напряжения на световой диод, происходит открытие внутреннего транзистора.
Используя этот простейший радиоэлемент, создается элементарный генератор с повторяющимися импульсами. Схему не надо настраивать и устанавливать туда полностью исправные элементы. Сборку делают путем навесного монтажа, не используя плату.
Применить эту простейшую схему можно в разных областях.
Все мы знаем, что в большинстве промышленных приборов очень важно вовремя обнаружить напряжение сети изолированно. С помощью изоляции здесь нужно предотвратить протекание тока (постоянного или переменного) от 1-й половины конструкции к другой, а также, обеспечить передачу сигнала и мощности.
Благодаря изоляции можно развязать разницу потенциалов, добиться устойчивости устройства к помехам и защитить его от сильных перепадов напряжений. Как правило, чтобы обнаружить напряжение, нужны оптроны с постоянным или переменным током. Их нужно установить на пути, где проходит сигнал.
Ни в коем случае не допускается прикосновение к плате, когда прибор уже включен. Это приводит к ударам током.
Как соорудить детектор сети с переменным током
В оптроне PC817B есть инфракрасный световой диод, который связан оптикой с фотографическим транзистором. Тот, в свою очередь, помещен в дип-корпус с 4 контактами. Стандартное изоляционное напряжение при входе-выходе равно 5 кВ, у коллектора-эмиттера — до 80 В, CTR может составить до 600% при токе входа 5мА.
В схеме не обязателен трансформатор с переменным током. Для снижения напряжения используется последовательный конденсатор, который подключается напрямую к сети с напряжением 220 В. Для выпрямления напряжения переменного тока применяется диод, а итоговое напряжение при постоянном токе — корректируется конденсатором.
Стабилитрон является предварительным стабилизатором, чтобы полностью защитить цепь. При обрыве на конденсаторе, например, при случайном перегорании резистора, напряжение конденсатора не превышает 5 В. Поэтому конденсатор фильтра не может взорваться.
Итоговый вход провоцирует появление низкого выходного сигнала во время подходящего сопряжения с внешней конструкцией, где есть подтягивающий резистор. Если же питание отключается, появляется высокоуровневый выходной сигнал.
Можно создать и улучшенный вариант такого сетевого детектора, который будет подстроен под цифровую технику. Понятно, что самым элементарным и безопасным способом определить электричество в сети, используя микроконтроллер. Здесь не обойтись без оптрона. Для безопасного подключения pc817 такого высокого напряжения (220 в) к оптопаре, нужно ограничение тока. Из-за его величины должна быть учтена номинальная резисторная мощность.
Для плавного стабильного выхода неизменного тока, к примеру, если речь идет о микроконтроллере GPIO, нужна небольшая доработка схемы. Здесь не имеет большого значения емкость конденсатора. Она может находиться в пределах от 2 до 10 мкФ.
Применение 2-направленной оптопары
Есть еще 1 актуальный вариант — применение 2-направленной оптопары. По-другому она называется оптроном переменного тока. Она включает пару внутренних световых диодов. Они направлены противоположно. Одна из таких моделей — H11AA1.
Благодаря конструкции задуманного детектора-универсала мониторить сигнал, идущий под высоким напряжением, становится проще. Она помогает обеспечить формирование цифрового сигнала выхода с гальваникой. В схеме отсутствуют дорогостоящие элементы. Ее можно собрать в течение часа.
В проект входят 2 важных фрагмента. Один из них производит обработку входа высокого напряжения, второй — изолирует низковольтную секцию от высоковольтной. А для усиления защиты цепи — не обойтись без предохранителя и металло оксидного варистора.
В основе вариатора — находится металлооксид. Он является резистором, который зависит от напряжения. Он своеобразен и защищает схемы от превышенного напряжения. Благодаря ему и снижаются колебания этого показателя.
При обычных условиях варистор обладает большим сопротивлением, но при повышении подключенного напряжения, по сравнению с ограничением вариатора, оно сразу уменьшается. Варистор без труда подключается между фазой и нулем, но лишь вслед за предохранителем. Тогда, если произойдет короткое замыкание варистора, за счет предохранителя произойдет отключение устройства от сети.
Возможно использование подтягивающего резистора для микроконтроллеров, где внутри отсутствует данный элемент. Мало того, при помощи двухконтактной перемычки включается или выключается корректирующий конденсатор, если это необходимо.
Итоговый несглаженный сигнал выхода — не идеально ровный, но его колебания — не больше 500 мВ. Вход в этой оптопаре подключается к напряжению сети, которое обрабатывается схемой делителя емкостей потенциала. Наибольшее возможное коммутационное напряжение оптрона равно 30 В, а транзистор, который подключается к выходу оптрона, способен выдержать силу тока до 10 мА.
Один из примеров использования датчика — когда он является цепью сброса в момент включения в сеть. Второй вариант — это аварийная система подачи тока, сигнализация на микроконтроллере или схема идентификатора сбоя/возобновления питания.
Заключение
Оптрон также может использоваться нестандартно, не только в качестве генератора периодичных сигналов, но и как реле триггера RS с возможностью фиксации состояния. Эта деталь не является редкой или дорогой, каждый ходовой импульсный блок питания включает ее. Она отлично справляется со своей задачей — создавать обратную связь, и эффективно функционирует в комплекте с другим распространенным радиоэлементом — TL431.
Купить оптрон PC817 можно на АлиЭкспресс по ссылке.