Free Press

Ellenállásos opto-izolátorok Szerkesztés

A legkorábbi opto-izolátorok, amelyeket eredetileg fényelemek néven hoztak forgalomba, az 1960-as években jelentek meg. Ezek fényforrásként miniatűr izzókat, vevőként pedig kadmium-szulfid (CdS) vagy kadmium-szelenid (CdSe) fotorezisztorokat (más néven fényfüggő ellenállásokat, LDR-eket) alkalmaztak. Azokban az alkalmazásokban, ahol a vezérlés linearitása nem volt fontos, vagy ahol a rendelkezésre álló áram túl alacsony volt az izzólámpa meghajtásához (mint a vákuumcsöves erősítőkben), azt neonlámpával helyettesítették. Ezeket az eszközöket (vagy csak az LDR komponensüket) általában Vactroloknak nevezték, a Vactec, Inc. védjegye után. A védjegyet azóta általánosították, de az eredeti Vactrolokat még mindig a PerkinElmer gyártja.

Az izzó be- és kikapcsolási késleltetése a több száz milliszekundumos tartományban van, ami az izzót hatékony aluláteresztő szűrővé és egyenirányítóvá teszi, de a gyakorlati modulációs frekvenciatartományt néhány hertzre korlátozza. A fénykibocsátó diódák (LED-ek) 1968-1970-es bevezetésével a gyártók az izzólámpákat és a neonlámpákat LED-ekre cserélték, és 5 milliszekundumos válaszidőt és 250 Hz-ig terjedő modulációs frekvenciát értek el. A Vactrol nevet vitték tovább a LED-alapú eszközökön, amelyeket 2010-ben még mindig kis mennyiségben gyártanak.

Az opto-izolátorokban használt fotorezisztorok a félvezető egyenletes filmjében lévő ömlesztett effektusokra támaszkodnak; nincsenek p-n átmenetek. A fényérzékelők között egyedülálló módon a fotorezisztorok nem poláris eszközök, amelyek alkalmasak váltakozó vagy egyenáramú áramkörökhöz. Ellenállásuk a bejövő fény intenzitásával fordított arányban csökken, gyakorlatilag a végtelentől a maradék alsó határig, amely akár kevesebb mint száz Ohm is lehet. Ezek a tulajdonságok tették az eredeti Vactrolt kényelmes és olcsó automatikus erősítésszabályozóvá és kompresszorrá a telefonhálózatok számára. A fotorezisztorok könnyen elviselték a 400 voltos feszültséget is, ami ideálissá tette őket a vákuumfénycsöves kijelzők meghajtására. További ipari alkalmazások közé tartoztak a fénymásolók, az ipari automatizálás, a professzionális fénymérő műszerek és az automatikus expozíciómérők. Ezen alkalmazások többsége mára elavult, de az ellenállásos opto-izolátorok megőriztek egy rést az audio, különösen a gitárerősítők piacán.

Az 1960-as évek amerikai gitár- és orgonagyártói az ellenállásos opto-izolátort kényelmes és olcsó tremoló modulátorként alkalmazták. A Fender korai tremolóeffektjei két vákuumcsövet használtak; 1964 után az egyik csövet egy LDR-ből és egy neonlámpából készült optocsatolóval helyettesítették. A mai napig a stompbox pedál megnyomásával aktivált Vactrolok mindenütt jelen vannak a zeneiparban. A valódi PerkinElmer Vactrolok hiánya arra kényszerítette a DIY gitáros közösséget, hogy “tekerjék a saját” ellenállásos opto-izolátorukat. A gitárosok a mai napig az opto-szigetelt effekteket részesítik előnyben, mivel a hang és a vezérlőalapok kiváló elkülönítése “eredendően magas hangminőséget” eredményez. A fotorezisztor által vonalszintű jelnél bevezetett torzítás azonban magasabb, mint egy professzionális, elektromosan kapcsolt feszültségvezérelt erősítőé. A teljesítményt tovább rontja a fényelőzmények miatti lassú ellenállás-ingadozás, a kadmiumvegyületekben rejlő memóriahatás. Az ilyen ingadozások kiegyenlítése órákig tart, és csak részben ellensúlyozhatók a vezérlőáramkörben lévő visszacsatolással.

Fotodiódás opto-izolátorokSzerkesztés

Egy gyors fotodiódás opto-izolátor kimeneti oldali erősítő áramkörrel.

A diódás opto-izolátorok fényforrásként LED-eket, érzékelőként pedig szilícium fotodiódákat alkalmaznak. Amikor a fotodiódát külső feszültségforrással fordított előfeszítésűvé teszik, a bejövő fény növeli a diódán átfolyó fordított áramot. Maga a dióda nem termel energiát; a külső forrásból származó energiaáramlást modulálja. Ezt a működési módot fotovezető módnak nevezzük. Alternatív módon, külső előfeszítés hiányában a dióda a fény energiáját elektromos energiává alakítja át azáltal, hogy a csatlakozóit legfeljebb 0,7 V feszültségig feltölti. A töltés mértéke arányos a bejövő fény intenzitásával. Az energia kinyerése a töltés külső, nagy impedanciájú útvonalon keresztül történő elvezetésével történik; az áramátvitel aránya elérheti a 0,2%-ot. Ezt a működési módot fotovoltaikus üzemmódnak nevezik.

A leggyorsabb opto-izolátorok PIN-diódákat alkalmaznak fotovezető üzemmódban. A PIN-diódák válaszideje a szubnanoszekundumos tartományban van; a rendszer teljes sebességét a LED-kimenet és az előfeszítő áramkörök késleltetése korlátozza. E késleltetések minimalizálása érdekében a gyors digitális opto-izolátorok saját, sebességre optimalizált LED-meghajtókat és kimeneti erősítőket tartalmaznak. Ezeket az eszközöket teljes logikai opto-izolátoroknak nevezik: LED-jeik és érzékelőik teljes mértékben egy digitális logikai áramkörbe vannak foglalva. A Hewlett-Packard 6N137/HPCL2601 belső kimeneti erősítőkkel felszerelt eszközcsaládja az 1970-es évek végén jelent meg, és 10 MBd adatátviteli sebességet ért el. Ez maradt az ipari szabvány az Agilent Technologies 7723/0723-as családjának 2002-es 50 MBd-os bevezetéséig. A 7723/0723 sorozatú opto-izolátorok CMOS LED-meghajtókat és egy CMOS pufferelt erősítőt tartalmaznak, amelyek két független, egyenként 5 V-os külső tápegységet igényelnek.

A fotodiódás opto-izolátorok analóg jelek csatolására is használhatók, bár nemlinearitásuk óhatatlanul torzítja a jelet. A Burr-Brown által bevezetett analóg opto-izolátorok egy speciális osztálya két fotodiódát és egy bemeneti oldali műveleti erősítőt használ a diódák nemlinearitásának kompenzálására. A két azonos dióda egyike az erősítő visszacsatolási hurokjába van bekötve, ami a teljes áramátviteli arányt állandó szinten tartja, függetlenül a második (kimeneti) dióda nemlinearitásától.

Egy különleges optikai analóg jelizolátor újszerű ötletét 2011. június 3-án nyújtották be. A javasolt konfiguráció két különböző részből áll. Az egyik a jelet továbbítja, a másik pedig negatív visszacsatolást hoz létre annak biztosítására, hogy a kimeneti jelnek ugyanazok a tulajdonságai legyenek, mint a bemeneti jelnek. Ez a javasolt analóg izolátor lineáris a bemeneti feszültség és frekvencia széles tartományában. Az ezt az elvet használó lineáris optocsatolók azonban már évek óta kaphatók, például az IL300.

A MOSFET kapcsolók köré épített szilárdtest relék általában fotodiódás opto-izolátort használnak a kapcsoló meghajtására. A MOSFET kapuja viszonylag kis össztöltést igényel a bekapcsoláshoz, és szivárgási árama állandósult állapotban nagyon alacsony. Egy fotodióda fotovoltaikus üzemmódban viszonylag rövid idő alatt képes bekapcsolási töltést generálni, de a kimeneti feszültsége sokszor kisebb, mint a MOSFET küszöbfeszültsége. A szükséges küszöbérték eléréséhez a szilárdtest relék akár harminc sorba kötött fotodiódából álló halmokat tartalmaznak.

Fototranzisztoros opto-izolátorokSzerkesztés

A fototranzisztorok eredendően lassabbak, mint a fotodiódák. A legkorábbi és leglassabb, de még mindig elterjedt 4N35 opto-izolátor például 5 μs felfutási és lecsengési idővel rendelkezik 100 Ohm terhelésre, és sávszélessége 10 kilohertz körül van korlátozva – ez elegendő az olyan alkalmazásokhoz, mint az elektroenkefalográfia vagy az impulzusszélességű motorvezérlés. Az eredeti 1983-as Musical Instrument Digital Interface specifikációban ajánlott PC-900 vagy 6N138 típusú eszközök több tíz kilobaud digitális adatátviteli sebességet tesznek lehetővé. A fototranzisztorokat megfelelően kell előfeszíteni és terhelni, hogy elérjék maximális sebességüket, például a 4N28 optimális előfeszítéssel akár 50 kHz-en is működik, anélkül pedig kevesebb mint 4 kHz-en.

A tranzisztoros opto-izolátorokkal való tervezés nagyvonalú engedményeket igényel a kereskedelmi forgalomban kapható eszközökben található paraméterek széles ingadozására. Ezek az ingadozások romboló hatásúak lehetnek, például amikor egy DC-DC átalakító visszacsatolási hurokjában lévő opto-izolátor megváltoztatja átviteli függvényét, és hamis oszcillációkat okoz, vagy amikor az opto-izolátorok váratlan késleltetése rövidzárlatot okoz egy H-híd egyik oldalán keresztül. A gyártók adatlapjain általában csak a kritikus paraméterek legrosszabb esetére vonatkozó értékek szerepelnek; a tényleges eszközök kiszámíthatatlan módon meghaladják ezeket a legrosszabb esetre vonatkozó becsléseket. Bob Pease megfigyelte, hogy a 4N28-asok egy tételében az áramátviteli arány 15% és több mint 100% között változhat; az adatlap csak minimum 10%-ot írt elő. A tranzisztorok bétája ugyanabban a tételben 300 és 3000 között változhat, ami a sávszélesség 10:1 arányú eltérését eredményezi.

A mezőhatású tranzisztorokat (FET) érzékelőként használó opto-izolátorok ritkák, és a vactrolokhoz hasonlóan távvezérelt analóg potenciométerekként használhatók, feltéve, hogy a FET kimeneti terminálján lévő feszültség nem haladja meg a néhány száz mV-ot. Az opto-FET-ek kapcsolási töltés injektálása nélkül kapcsolnak be a kimeneti áramkörbe, ami különösen hasznos a mintavételi és tartási áramkörökben.

Kétirányú opto-izolátorokSzerkesztés

Az eddig leírt opto-izolátorok mindegyike egyirányú. Az optikai csatorna mindig egyirányúan működik, a forrástól (LED) az érzékelőig. Az érzékelők, legyenek azok fotorezisztorok, fotodiódák vagy fototranzisztorok, nem képesek fényt kibocsátani. A LED-ek azonban, mint minden félvezető dióda, képesek érzékelni a beérkező fényt, ami lehetővé teszi egy kétirányú opto-izolátor építését egy LED-párból. A legegyszerűbb kétirányú opto-izolátor csupán egy pár egymással szemben elhelyezett és zsugorcsővel összetartott LED. Szükség esetén a két LED közötti rés üvegszálas betéttel meghosszabbítható.

A látható spektrumú LED-ek viszonylag rossz átviteli hatékonysággal rendelkeznek, ezért a közeli infravörös spektrumú GaAs, GaAs:Si és AlGaAs:Si LED-ek a kétirányú eszközökhöz előnyben részesített választás. A GaAs:Si LED-párok köré épített kétirányú opto-izolátorok áramátviteli aránya 0,06% körüli akár fotovoltaikus, akár fotovezető üzemmódban – ez kevesebb, mint a fotodióda-alapú izolátoroké, de a valós alkalmazásokhoz kellően praktikus.