Free Press

Odporové optoizolátoryUpravit

První optoizolátory, původně prodávané jako světelné články, se objevily v 60. letech 20. století. Jako zdroje světla používaly miniaturní žárovky a jako přijímače fotorezistory ze sulfidu kadmia (CdS) nebo selenidu kadmia (CdSe) (nazývané také rezistory závislé na světle, LDR). V aplikacích, kde nebyla důležitá linearita řízení nebo kde byl dostupný proud příliš malý pro řízení žárovky (jako v případě elektronkových zesilovačů), byla nahrazena neonovou lampou. Tato zařízení (nebo jen jejich součást LDR) se běžně nazývala Vactrols podle ochranné známky společnosti Vactec, Inc. Od té doby byla ochranná známka zobecněna, ale původní Vactroly stále vyrábí společnost PerkinElmer.

Zpoždění zapnutí a vypnutí žárovky se pohybuje v řádu stovek milisekund, což z žárovky činí účinný dolnopropustný filtr a usměrňovač, ale omezuje praktický rozsah modulačních frekvencí na několik hertzů. Se zavedením světelných diod (LED) v letech 1968-1970 nahradili výrobci žárovky a neonové výbojky LED diodami a dosáhli doby odezvy 5 milisekund a modulačních frekvencí až 250 Hz. Název Vactrol byl přenesen na zařízení na bázi LED, která se od roku 2010 stále vyrábějí v malém množství.

Fotorezistory používané v optoizolátorech se spoléhají na objemové efekty v jednolitém filmu polovodiče; neexistují zde žádné p-n přechody. Výjimečně mezi fotosenzory jsou fotorezistory nepolární zařízení vhodná pro střídavé nebo stejnosměrné obvody. Jejich odpor klesá v opačném poměru k intenzitě přicházejícího světla, prakticky od nekonečna až po zbytkovou hodnotu, která může být nižší než sto ohmů. Díky těmto vlastnostem se původní Vactrol stal vhodným a levným automatickým regulátorem zesílení a kompresorem pro telefonní sítě. Fotorezistory snadno odolávaly napětí až 400 V, což je předurčovalo k řízení vakuových fluorescenčních displejů. Další průmyslové aplikace zahrnovaly fotokopírky, průmyslovou automatizaci, profesionální přístroje pro měření světla a měřiče automatické expozice. Většina těchto aplikací je dnes již zastaralá, ale odporové optoizolátory si zachovaly mezeru na trhu se zvukovými zařízeními, zejména kytarovými zesilovači.

Američtí výrobci kytar a varhan v 60. letech 20. století přijali odporový optoizolátor jako pohodlný a levný modulátor tremola. První tremolo efekty Fender používaly dvě elektronky; po roce 1964 byla jedna z těchto elektronek nahrazena optoizolátorem z LDR a neonové lampy. Vactroly aktivované sešlápnutím pedálu stompboxu jsou dodnes v hudebním průmyslu všudypřítomné. Nedostatek originálních Vactrolů PerkinElmer donutil kytarovou komunitu DIY „ubalit si vlastní“ odporové optoizolátory. Kytaristé dodnes dávají přednost optoizolovaným efektům, protože jejich lepší oddělení zvukových a řídicích základen vede k „přirozeně vysoké kvalitě zvuku“. Zkreslení vnášené fotorezistorem při linkové úrovni signálu je však vyšší než u profesionálního elektricky propojeného napěťově řízeného zesilovače. Výkon je dále zhoršován pomalým kolísáním odporu v důsledku světelné historie, což je paměťový efekt vlastní kadmiovým sloučeninám. Takové kolísání trvá hodiny, než se ustálí, a lze je pouze částečně kompenzovat zpětnou vazbou v řídicím obvodu.

Fotodiodové optoizolátoryEdit

Rychlý fotodiodový optoizolátor s obvodem zesilovače na výstupní straně.

Diodové optoizolátory využívají LED jako zdroje světla a křemíkové fotodiody jako senzory. Když je fotodioda zpětně napájena externím zdrojem napětí, přicházející světlo zvyšuje zpětný proud protékající diodou. Samotná dioda nevytváří energii, ale moduluje tok energie z vnějšího zdroje. Tento způsob provozu se nazývá fotovodivý režim. Alternativně, při absenci vnějšího předpětí, přeměňuje dioda energii světla na elektrickou energii tím, že nabíjí své svorky na napětí až 0,7 V. Rychlost nabíjení je úměrná intenzitě přicházejícího světla. Energie se získává odváděním náboje vnější vysokoimpedanční cestou; poměr přenosu proudu může dosáhnout 0,2 %. Tento provozní režim se nazývá fotovoltaický režim.

Nejrychlejší optoizolátory využívají diody PIN ve fotovodivém režimu. Doba odezvy diod PIN se pohybuje v subnanosekundovém rozsahu; celková rychlost systému je omezena zpožděním ve výstupu LED a v obvodech předpětí. Pro minimalizaci těchto zpoždění obsahují rychlé digitální optoizolátory vlastní ovladače LED a výstupní zesilovače optimalizované pro rychlost. Tato zařízení se nazývají plně logické optoizolátory: jejich LED a senzory jsou plně zapouzdřeny v digitálním logickém obvodu. Rodina zařízení Hewlett-Packard 6N137/HPCL2601 vybavená interními výstupními zesilovači byla představena koncem 70. let a dosahovala rychlosti přenosu dat 10 MBd. Zůstala průmyslovým standardem až do uvedení 50 MBd rodiny Agilent Technologies 7723/0723 v roce 2002. Optoizolátory řady 7723/0723 obsahují ovladače LED CMOS a vyrovnávací zesilovače CMOS, které vyžadují dva nezávislé externí zdroje napájení po 5 V.

Fotodiodové optoizolátory lze použít pro propojení analogových signálů, ačkoli jejich nelinearita signál vždy zkresluje. Speciální třída analogových optoizolátorů, kterou zavedl Burr-Brown, používá dvě fotodiody a operační zesilovač na vstupní straně ke kompenzaci nelinearity diod. Jedna ze dvou identických diod je zapojena do zpětnovazební smyčky zesilovače, který udržuje celkový poměr přenosu proudu na konstantní úrovni bez ohledu na nelinearitu druhé (výstupní) diody.

Nová myšlenka konkrétního optického analogového izolátoru signálu byla předložena 3. června 2011. Navrhované uspořádání se skládá ze dvou různých částí. Jedna z nich přenáší signál a druhá vytváří zápornou zpětnou vazbu, která zajišťuje, že výstupní signál má stejné vlastnosti jako vstupní signál. Tento navržený analogový izolátor je lineární v širokém rozsahu vstupního napětí a frekvence. Lineární optooddělovače využívající tento princip jsou však k dispozici již mnoho let, například IL300.

Tvrdostěnná relé postavená kolem spínačů MOSFET obvykle využívají k řízení spínače fotodiodový optoizolátor. Hradlo tranzistoru MOSFET vyžaduje k sepnutí relativně malý celkový náboj a jeho svodový proud v ustáleném stavu je velmi malý. Fotodioda ve fotovoltaickém režimu může generovat náboj při zapnutí v poměrně krátkém čase, ale její výstupní napětí je mnohonásobně menší než prahové napětí MOSFETu. K dosažení požadovaného prahového napětí obsahují polovodičová relé stohy až třiceti fotodiod zapojených do série.

Fototranzistorové optoizolátoryEdit

Fototranzistory jsou ze své podstaty pomalejší než fotodiody. Například nejstarší a nejpomalejší, ale stále běžný optoizolátor 4N35 má doby náběhu a poklesu 5 μs do zátěže 100 ohmů a jeho šířka pásma je omezena na přibližně 10 kilohertzů – což je dostatečné pro aplikace, jako je elektroencefalografie nebo pulzní řízení motorů. Zařízení jako PC-900 nebo 6N138 doporučená v původní specifikaci digitálního rozhraní pro hudební nástroje z roku 1983 umožňují digitální přenos dat rychlostí desítek kiloBaudů. Fototranzistory musí být správně předpjaté a zatížené, aby dosáhly svých maximálních rychlostí, například 4N28 pracuje s optimálním předpětím až na 50 kHz a bez něj na méně než 4 kHz.

Pro návrh s tranzistorovými optoizolátory je třeba velkoryse zohlednit velké kolísání parametrů, které se vyskytují u komerčně dostupných zařízení. Takové kolísání může být destruktivní, například když optoizolátor ve zpětnovazební smyčce DC-DC převodníku změní svou přenosovou funkci a způsobí falešné oscilace, nebo když neočekávané zpoždění v optoizolátorech způsobí zkrat přes jednu stranu H-můstku. Výrobci v katalogových listech obvykle uvádějí pouze nejhorší možné hodnoty kritických parametrů; skutečná zařízení tyto nejhorší možné odhady nepředvídatelně překračují. Bob Pease si všiml, že poměr přenosu proudu v sérii 4N28 se může pohybovat od 15 % do více než 100 %; v datasheetu je uvedeno pouze minimum 10 %. Beta tranzistorů ve stejné šarži se může lišit od 300 do 3000, což má za následek odchylku v šířce pásma 10:1.

Optoizolátory využívající tranzistory s polem (FET) jako snímače jsou vzácné a stejně jako vactroly mohou být použity jako dálkově ovládané analogové potenciometry za předpokladu, že napětí na výstupní svorce FETu nepřesáhne několik set mV. Opto-FETy se zapínají bez injektování spínacího náboje do výstupního obvodu, což je užitečné zejména v obvodech pro vzorkování a udržování.

Obousměrné optoizolátoryEdit

Všechny dosud popsané optoizolátory jsou jednosměrné. Optický kanál funguje vždy jednosměrně, od zdroje (LED) ke snímači. Senzory, ať už se jedná o fotorezistory, fotodiody nebo fototranzistory, nemohou vyzařovat světlo. Ale LED, stejně jako všechny polovodičové diody, jsou schopny detekovat přicházející světlo, což umožňuje konstrukci obousměrného optoizolátoru z dvojice LED. Nejjednodušší obousměrný optoizolátor je pouhá dvojice LED umístěná proti sobě a spojená teplem smrštitelnou trubičkou. V případě potřeby lze mezeru mezi dvěma LED rozšířit pomocí vložky ze skleněných vláken.

LED s viditelným spektrem mají relativně nízkou účinnost přenosu, proto se pro obousměrná zařízení upřednostňují LED s blízkým infračerveným spektrem GaAs, GaAs:Si a AlGaAs:Si. Obousměrné optoizolátory postavené kolem dvojic GaAs:Si LED mají poměr přenosu proudu přibližně 0,06 % ve fotovoltaickém nebo fotovodivém režimu – méně než izolátory založené na fotodiodách, ale dostatečně praktické pro reálné aplikace.

.