Free Press

Resistive opto-isolatorerRediger

De tidligste opto-isolatorer, der oprindeligt blev markedsført som lysceller, dukkede op i 1960’erne. De anvendte miniature glødepærer som lyskilder og cadmiumsulfid- (CdS) eller cadmiumselenid- (CdSe) fotoresistorer (også kaldet lysafhængige modstande, LDR’er) som modtagere. I anvendelser, hvor linearitet ikke var vigtig, eller hvor den tilgængelige strøm var for lav til at drive en glødepære (som det var tilfældet i vakuumrørsforstærkere), blev den erstattet med en neonlampe. Disse enheder (eller blot deres LDR-komponent) blev almindeligvis kaldt Vactrols, efter et varemærke fra Vactec, Inc. Varemærket er siden blevet genericeret, men de originale Vactrols fremstilles stadig af PerkinElmer.

Glødepærens tænd- og slukforsinkelse ligger i hundredvis af millisekunder, hvilket gør pæren til et effektivt lavpasfilter og ensretter, men begrænser det praktiske modulationsfrekvensområde til nogle få Hertz. Med indførelsen af lysdioder (LED’er) i 1968-1970 erstattede fabrikanterne gløde- og neonlamper med LED’er og opnåede responstider på 5 millisekunder og modulationsfrekvenser på op til 250 Hz. Navnet Vactrol blev videreført på LED-baserede enheder, som i 2010 stadig produceres i små mængder.

Photoresistorer, der anvendes i opto-isolatorer, er afhængige af bulk-effekter i en ensartet film af halvleder; der er ingen p-n-forbindelser. Fotoresistorer er unikke blandt fotosensorer og er ikke-polære enheder, der egner sig til enten veksel- eller jævnstrømskredsløb. Deres modstand falder i omvendt forhold til intensiteten af det indkommende lys, fra næsten uendelig til et restgulv, der kan være så lavt som mindre end 100 ohm. Disse egenskaber gjorde den oprindelige Vactrol til en praktisk og billig automatisk forstærkningsregulering og kompressor til telefonnet. Fotoresistorerne kunne let modstå spændinger på op til 400 volt, hvilket gjorde dem ideelle til at drive vakuumlysstofrør. Andre industrielle anvendelser omfattede fotokopieringsmaskiner, industriel automatisering, professionelle lysmålingsinstrumenter og autoeksponeringsmålere. De fleste af disse anvendelser er nu forældede, men resistive opto-isolatorer bevarede en niche på markedet for audio, især guitarforstærkere.

Amerikanske guitar- og orgelproducenter i 1960’erne tog den resistive opto-isolator til sig som en praktisk og billig tremolo-modulator. Fenders tidlige tremolo-effekter anvendte to vakuumrør; efter 1964 blev et af disse rør erstattet af en optokobler bestående af en LDR og en neonlampe. Til dato er Vactrols, der aktiveres ved at trykke på stompboxpedalen, allestedsnærværende i musikindustrien. Manglen på ægte PerkinElmer Vactrols tvang DIY-guitaristerne til at “rulle deres egne” resistive opto-isolatorer. Guitarister foretrækker til dato opto-isolerede effekter, fordi deres overlegne adskillelse af lyd- og kontroljord resulterer i en “iboende høj lydkvalitet”. Den forvrængning, der indføres af en fotoresistor ved et signal på linjeniveau, er imidlertid højere end forvrængningen fra en professionel elektrisk koblet spændingsstyret forstærker. Ydelsen forringes yderligere af langsomme udsving i modstanden på grund af lysets historie, en hukommelseseffekt, der er indbygget i cadmiumforbindelser. Sådanne udsving tager timer at afvikle og kan kun delvis udlignes med feedback i kontrolkredsløbet.

Fotodiode-optoisolatorerRediger

En hurtig fotodiode-optoisolator med et forstærkerkredsløb på udgangssiden.

Diode-optoisolatorer anvender lysdioder som lyskilder og siliciumfotodioder som sensorer. Når fotodioden er omvendt polariseret med en ekstern spændingskilde, øger det indkommende lys den omvendte strøm, der løber gennem dioden. Dioden genererer ikke selv energi; den modulerer strømmen af energi fra en ekstern kilde. Denne funktionsmåde kaldes fotokonduktiv tilstand. Alternativt kan dioden i fravær af ekstern spænding omdanne lysets energi til elektrisk energi ved at oplade sine terminaler til en spænding på op til 0,7 V. Opladningshastigheden er proportional med intensiteten af det indkommende lys. Energien høstes ved at dræne ladningen gennem en ekstern højimpedansvej; strømoverførselsforholdet kan nå op på 0,2 %. Denne funktionsmåde kaldes fotovoltaisk tilstand.

De hurtigste opto-isolatorer anvender PIN-dioder i fotokonduktiv tilstand. Responstiderne for PIN-dioderne ligger i subnanosekunder; den samlede systemhastighed er begrænset af forsinkelser i LED-udgangen og i forspændingskredsløbet. For at minimere disse forsinkelser indeholder hurtige digitale opto-isolatorer deres egne LED-drivere og udgangsforstærkere, der er optimeret med henblik på hastighed. Disse enheder kaldes fuldt logiske opto-isolatorer: deres lysdioder og sensorer er fuldt indkapslet i et digitalt logisk kredsløb. Hewlett-Packards 6N137/HPCL2601-familie af enheder udstyret med interne udgangsforstærkere blev introduceret i slutningen af 1970’erne og opnåede dataoverførselshastigheder på 10 MBd. Den forblev en industristandard indtil indførelsen af Agilent Technologies 7723/0723-familien med en kapacitet på 50 MBd i 2002. Opto-isolatorerne i 7723/0723-serien indeholder CMOS LED-drivere og en CMOS-bufferforstærker, som kræver to uafhængige eksterne strømforsyninger på hver 5 V.

Photodiode-optoisolatorer kan anvendes til grænseflader til analoge signaler, selv om deres ikke-linearitet uvægerligt forvrænger signalet. En særlig klasse af analoge opto-isolatorer, der blev introduceret af Burr-Brown, anvender to fotodioder og en operationsforstærker på indgangssiden for at kompensere for diodens ikke-linearitet. Den ene af de to identiske dioder er koblet ind i forstærkerens tilbagekoblingssløjfe, som holder det samlede strømoverførselsforhold på et konstant niveau uanset ikke-lineariteten i den anden (udgangs)diode.

En ny idé om en særlig optisk analog signalisolator blev indsendt den 3. juni 2011. Den foreslåede konfiguration består af to forskellige dele. Den ene af dem overfører signalet, og den anden etablerer en negativ tilbagekobling for at sikre, at udgangssignalet har de samme egenskaber som indgangssignalet. Denne foreslåede analoge isolator er lineær over et bredt område af indgangsspænding og frekvens. Lineære optokoblere, der anvender dette princip, har imidlertid været tilgængelige i mange år, f.eks. IL300.

Solid-state-relæer, der er bygget op omkring MOSFET-switche, anvender normalt en fotodiodeopto-isolator til at drive kontakten. En MOSFET’s gate kræver en relativt lille samlet ladning for at blive tændt, og dens lækstrøm er meget lav i stationær tilstand. En fotodiode i fotovoltaisk tilstand kan generere tændladning på rimelig kort tid, men dens udgangsspænding er mange gange mindre end MOSFET’s tærskelspænding. For at nå den nødvendige tærskelværdi indeholder halvlederrelæer stakke af op til 30 fotodioder, der er koblet i serie.

Fototransistoropto-isolatorerRediger

Fotototransistorer er i sagens natur langsommere end fotodioder. Den tidligste og langsomste, men stadig almindelige 4N35-optoisolator har f.eks. stignings- og faldtider på 5 μs i en belastning på 100 Ohm, og dens båndbredde er begrænset til ca. 10 kilohertz – tilstrækkeligt til anvendelser som elektroencefalografi eller pulsbredde motorstyring. Enheder som PC-900 eller 6N138, der anbefales i den oprindelige specifikation for Musical Instrument Digital Interface fra 1983, muliggør digitale dataoverførselshastigheder på titusindvis af kiloBauds. Fototransistorer skal være korrekt forspændt og belastet for at opnå deres maksimale hastigheder, f.eks. fungerer 4N28 ved op til 50 kHz med optimal forspænding og mindre end 4 kHz uden.

Design med transistoropto-isolatorer kræver generøse hensyn til store udsving i de parametre, der findes i kommercielt tilgængelige enheder. Sådanne udsving kan være ødelæggende, f.eks. når en opto-isolator i feedbacksløjfen i en DC-til-DC-konverter ændrer sin overførselsfunktion og forårsager falske svingninger, eller når uventede forsinkelser i opto-isolatorer forårsager kortslutning gennem den ene side af en H-bro. Producenternes datablade angiver typisk kun worst-case-værdier for kritiske parametre; de faktiske enheder overgår disse worst-case-estimater på en uforudsigelig måde. Bob Pease bemærkede, at strømoverførselsforholdet i et parti 4N28’ere kan variere fra 15 % til mere end 100 %, mens databladet kun angav et minimum på 10 %. Transistorbeta i samme batch kan variere fra 300 til 3000, hvilket resulterer i 10:1-varians i båndbredde.

Opto-isolatorer, der anvender felteffekttransistorer (FET’er) som sensorer, er sjældne og kan ligesom vactrols anvendes som fjernstyrede analoge potentiometre, forudsat at spændingen over FET’ens udgangsterminal ikke overstiger et par hundrede mV. Opto-FET’er tænder uden at injicere koblingsladning i udgangskredsløbet, hvilket er særlig nyttigt i sample and hold-kredsløb.

Bidirektionelle opto-isolatorerRediger

Alle opto-isolatorer, der hidtil er beskrevet, er unidirektionelle. Den optiske kanal fungerer altid i én retning, fra kilden (LED) til sensoren. Sensorerne, hvad enten det er fotoresistorer, fotodioder eller fototransistorer, kan ikke udsende lys. Men LED’er er som alle halvlederdioder i stand til at detektere indkommende lys, hvilket gør det muligt at konstruere en tovejs-opto-isolator ud fra et par LED’er. Den enkleste tovejsoptoisolator er blot et par lysdioder, der er placeret ansigt til ansigt og holdt sammen med krympeslanger. Om nødvendigt kan afstanden mellem to lysdioder udvides med en glasfiberindsats.

Lysdioder i det synlige spektrum har en relativt dårlig overførselseffektivitet, og derfor er GaAs-, GaAs-:Si- og AlGaAs-:Si-lysdioder i det nærinfrarøde spektrum det foretrukne valg til tovejsanordninger. Bidirektionelle opto-isolatorer bygget omkring par GaAs:Si-LED’er har et strømoverførselsforhold på ca. 0,06 % i enten fotovoltaisk eller fotokonduktiv tilstand – mindre end fotodiodebaserede isolatorer, men tilstrækkeligt praktisk til virkelige anvendelser.