Free Press

Resistive opto-isolatorsEdit

Varhaisimmat opto-isolaattorit, joita alun perin markkinoitiin valokennoina, syntyivät 1960-luvulla. Niissä käytettiin pienoishehkulamppuja valonlähteinä ja kadmiumsulfidi- (CdS) tai kadmiumselenidi- (CdSe) fotoresistoreja (joita kutsutaan myös valosta riippuvaisiksi vastuksiksi, LDR) vastaanottimina. Sovelluksissa, joissa ohjauksen lineaarisuus ei ollut tärkeää tai joissa käytettävissä oleva virta oli liian pieni hehkulampun ohjaamiseen (kuten tyhjiöputkivahvistimissa), se korvattiin neonlampulla. Näitä laitteita (tai vain niiden LDR-komponenttia) kutsuttiin yleisesti Vactrolleiksi Vactec, Inc:n tavaramerkin mukaan. Tavaramerkki on sittemmin yleistynyt, mutta PerkinElmer valmistaa edelleen alkuperäisiä Vactroleja.

Hehkulampun kytkeytymis- ja sammumisviive on satojen millisekuntien luokkaa, mikä tekee lampusta tehokkaan alipäästösuodattimen ja tasasuuntaajan, mutta rajoittaa käytännöllisen modulointitaajuusalueen muutamaan hertsiin. Kun valodiodit (LEDit) otettiin käyttöön vuosina 1968-1970, valmistajat korvasivat hehku- ja neonlamput LEDeillä ja saavuttivat 5 millisekunnin vasteajat ja jopa 250 Hz:n modulointitaajuudet. Nimi Vactrol siirtyi LED-pohjaisiin laitteisiin, joita valmistetaan vielä vuonna 2010 pieniä määriä.

Opto-isolaattoreissa käytetyt fotoresistorit perustuvat irtotavaran vaikutuksiin tasaisessa puolijohdekalvossa; p-n-liitoksia ei ole. Fotoresistorit ovat valoantureiden joukossa ainutlaatuisesti poolittomia laitteita, jotka soveltuvat joko vaihto- tai tasavirtapiireihin. Niiden resistanssi laskee päinvastaisessa suhteessa tulevan valon voimakkuuteen lähes äärettömästä jäännöslukemiin, joka voi olla jopa alle sata ohmia. Nämä ominaisuudet tekivät alkuperäisestä Vactrolista kätevän ja halvan automaattisen vahvistuksen säätimen ja kompressorin puhelinverkkoihin. Fotoresistorit kestivät helposti jopa 400 voltin jännitteitä, mikä teki niistä ihanteellisia tyhjiöfluoresoivien näyttöjen ohjaamiseen. Muita teollisia sovelluksia olivat valokopiokoneet, teollisuusautomaatio, ammattimaiset valonmittauslaitteet ja automaattiset valotusmittarit. Useimmat näistä sovelluksista ovat nykyään vanhentuneita, mutta resistiiviset opto-isolaattorit säilyttivät paikkansa audiomarkkinoilla, erityisesti kitaravahvistimien markkinoilla.

Amerikkalaiset 1960-luvun kitara- ja urkuvalmistajat ottivat resistiivisen opto-isolaattorin omakseen kätevänä ja halpana tremolomodulaattorina. Fenderin varhaisissa tremoloefekteissä käytettiin kahta tyhjiöputkea; vuoden 1964 jälkeen toinen näistä putkista korvattiin LDR:stä ja neonlampusta tehdyllä optoerottimella. Nykyään stompbox-pedaalia painamalla aktivoitavat Vactrolit ovat kaikkialla musiikkiteollisuudessa. Aitojen PerkinElmer Vactrolien puute pakotti DIY-kitarayhteisön ”rullaamaan omat” resistiiviset optoerottimet. Kitaristit suosivat nykyään opto-eristettyjä efektejä, koska niiden ylivoimainen ääni- ja ohjausalueiden erottaminen toisistaan johtaa ”luonnostaan korkeaan äänenlaatuun”. Fotoresistorin aiheuttama särö linjatasoisella signaalilla on kuitenkin suurempi kuin ammattimaisen sähköisesti kytketyn jänniteohjatun vahvistimen särö. Suorituskykyä heikentävät lisäksi valohistoriasta johtuvat vastuksen hitaat vaihtelut, jotka ovat kadmiumyhdisteille ominainen muistivaikutus. Tällaisten vaihteluiden tasaantuminen kestää tunteja, ja niitä voidaan kompensoida vain osittain ohjauspiirin takaisinkytkennällä.

Fotodiodi-opto-isolaattorit Muokkaa

Nopea fotodiodi-opto-isolaattori, jossa on ulostulonpuoleinen vahvistinpiiri.

Diodi-optioosolaattoreissa käytetään LEDejä valonlähteinä ja piifotodiodeja antureina. Kun fotodiodi kytketään käänteiseen jännitelähteeseen ulkoisella jännitelähteellä, tuleva valo lisää diodin läpi kulkevaa käänteisvirtaa. Diodi ei itse tuota energiaa, vaan se moduloi ulkoisesta lähteestä tulevaa energiavirtaa. Tätä toimintatapaa kutsutaan valojohdemoodiksi. Vaihtoehtoisesti ilman ulkoista jännitettä diodi muuntaa valon energian sähköenergiaksi lataamalla sen liittimet enintään 0,7 V:n jännitteeseen. Latausnopeus on verrannollinen tulevan valon voimakkuuteen. Energia otetaan talteen tyhjentämällä varaus ulkoisen korkean impedanssin polun kautta; virransiirtosuhde voi olla jopa 0,2 %. Tätä toimintatapaa kutsutaan valosähköiseksi.

Nopeimmissa optoerottimissa käytetään PIN-diodeja valojohdemoodissa. PIN-diodien vasteajat ovat alle nanosekunnin alueella; järjestelmän kokonaisnopeutta rajoittavat LED-ulostulon ja biasointipiirin viiveet. Näiden viiveiden minimoimiseksi nopeat digitaaliset optoerottimet sisältävät omat LED-ajurit ja lähtövahvistimet, jotka on optimoitu nopeuteen. Näitä laitteita kutsutaan täyslogiikka-opto-isolaattoreiksi: niiden LEDit ja anturit on täysin koteloitu digitaaliseen logiikkapiiriin. Hewlett-Packardin 6N137/HPCL2601-laiteperhe, jossa on sisäiset lähtövahvistimet, esiteltiin 1970-luvun lopulla, ja sillä saavutettiin 10 MBd:n tiedonsiirtonopeus. Se pysyi alan standardina, kunnes Agilent Technologies 7723/0723 -tuoteperhe (50 MBd) tuli markkinoille vuonna 2002. 7723/0723-sarjan opto-isolaattorit sisältävät CMOS-LED-ajurit ja CMOS-puskuroidun vahvistimen, jotka vaativat kaksi riippumatonta ulkoista 5 V:n virtalähdettä.

Fotodiodi-opto-isolaattoreita voidaan käyttää analogisten signaalien liittämiseen, vaikka niiden epälineaarisuus vääristää poikkeuksetta signaalia. Burr-Brownin esittämässä analogisten opto-isolaattoreiden erityisluokassa käytetään kahta fotodiodia ja tulopuolen operaatiovahvistinta diodien epälineaarisuuden kompensoimiseksi. Toinen kahdesta identtisestä diodista on kytketty vahvistimen takaisinkytkentäsilmukkaan, joka pitää kokonaisvirransiirtosuhteen vakiotasolla riippumatta toisen (lähtö)diodin epälineaarisuudesta.

Uusi ajatus erityisestä optisesta analogisesta signaalierottimesta esitettiin 3. kesäkuuta 2011. Ehdotettu kokoonpano koostuu kahdesta eri osasta. Toinen niistä siirtää signaalin ja toinen luo negatiivisen takaisinkytkennän sen varmistamiseksi, että lähtösignaalilla on samat ominaisuudet kuin tulosignaalilla. Tämä ehdotettu analoginen erotin on lineaarinen laajalla tulojännite- ja taajuusalueella. Tätä periaatetta käyttäviä lineaarisia optokytkimiä on kuitenkin ollut saatavilla jo vuosia, esimerkiksi IL300.

MOSFET-kytkimien ympärille rakennetuissa puolijohdereleissä käytetään yleensä fotodiodi-opto-isolaattoria kytkimen ohjaamiseen. MOSFETin portti vaatii suhteellisen pienen kokonaisvarauksen kytkeytyäkseen päälle, ja sen vuotovirta on vakaassa tilassa hyvin pieni. Aurinkosähköisessä tilassa oleva valodiodi voi tuottaa käynnistysvarauksen kohtuullisen lyhyessä ajassa, mutta sen lähtöjännite on moninkertaisesti pienempi kuin MOSFETin kynnysjännite. Tarvittavan kynnysarvon saavuttamiseksi puolijohdereleissä on jopa kolmenkymmenen fotodiodin sarjaan kytketyt pinot.

Fototransistori-opto-isolaattoritEdit

Fototransistorit ovat luonnostaan hitaampia kuin fotodiodit. Varhaisimmalla ja hitaimmalla, mutta edelleen yleisimmällä 4N35-opto-isolaattorilla on esimerkiksi 5 μs nousu- ja laskuaika 100 ohmin kuormaan, ja sen kaistanleveys on rajoitettu noin 10 kilohertsiin – mikä riittää sovelluksiin, kuten elektroenkefalografiaan tai pulssin levyiseen moottorinohjaukseen. Alkuperäisessä vuoden 1983 Musical Instrument Digital Interface -spesifikaatiossa suositellut PC-900:n tai 6N138:n kaltaiset laitteet mahdollistavat kymmenien kilobaudien digitaalisen tiedonsiirron nopeudet. Fototransistorit on biasoitava ja kuormitettava oikein, jotta ne saavuttavat maksiminopeutensa. Esimerkiksi 4N28 toimii jopa 50 kHz:n nopeudella optimaalisella biasoinnilla ja alle 4 kHz:n nopeudella ilman sitä.

Suunnittelu transistori-opto-isolaattoreiden kanssa vaatii reilusti toleransseja kaupallisesti saatavilla olevissa laitteissa esiintyville parametrien laajoille vaihteluille. Tällaiset vaihtelut voivat olla tuhoisia esimerkiksi silloin, kun DC-DC-muuntimen takaisinkytkentäsilmukassa oleva opto-isolaattori muuttaa siirtofunktiotaan ja aiheuttaa virheellisiä värähtelyjä, tai kun opto-isolaattoreiden odottamattomat viiveet aiheuttavat oikosulun H-sillan toisen puolen läpi. Valmistajien tietolehdissä luetellaan yleensä vain kriittisten parametrien pahimmat mahdolliset arvot; todelliset laitteet ylittävät nämä pahimmat mahdolliset arviot arvaamattomasti. Bob Pease havaitsi, että virransiirtosuhde erässä 4N28-piirejä voi vaihdella 15 prosentista yli 100 prosenttiin; tietolehdessä oli ilmoitettu vain 10 prosentin vähimmäisarvo. Saman erän transistorien beta-arvo voi vaihdella 300:sta 3000:een, jolloin kaistanleveys vaihtelee 10:1:een.

Opto-isolaattorit, jotka käyttävät kenttäefektitransistoreja (FET) antureina, ovat harvinaisia, ja niitä voidaan käyttää vactrolien tavoin kauko-ohjattavina analogisina potentiometreinä edellyttäen, että FET:n ulostulokytkimen yli vaikuttava jännite ei ylitä muutamaa sataa mV. Opto-FET:t kytkeytyvät päälle injektoimatta kytkentävarausta lähtöpiiriin, mikä on erityisen hyödyllistä näytteenotto- ja pitopiireissä.

Kaksisuuntaiset opto-isolaattoritEdit

Kaikki tähän mennessä kuvatut opto-isolaattorit ovat yksisuuntaisia. Optinen kanava toimii aina yhteen suuntaan, lähteestä (LED) anturiin. Anturit, olivatpa ne sitten fotoresistoreja, fotodiodeita tai fototransistoreja, eivät voi lähettää valoa. Mutta ledit, kuten kaikki puolijohdediodit, pystyvät havaitsemaan tulevan valon, mikä mahdollistaa kaksisuuntaisen optoerottimen rakentamisen parista ledistä. Yksinkertaisin kaksisuuntainen opto-isolaattori on pelkkä LED-pari, joka on asetettu vastakkain ja kiinnitetty toisiinsa kutisteputkella. Tarvittaessa kahden ledin välistä rakoa voidaan pidentää lasikuitulisäyksellä.

Näkyvän spektrin ledeillä on suhteellisen huono siirtotehokkuus, joten lähi-infrapunaspektrin GaAs-, GaAs:Si- ja AlGaAs:Si-ledit ovat suositeltavin valinta kaksisuuntaisiin laitteisiin. GaAs:Si-LED-parien ympärille rakennettujen kaksisuuntaisten optoerottimien virransiirtosuhde on noin 0,06 % joko aurinkosähköisessä tai valojohteisessa tilassa, mikä on vähemmän kuin fotodiodipohjaisilla erottimilla, mutta riittävän käytännöllinen reaalimaailman sovelluksiin.