Free Press

Weerstandsopto-isolatorsEdit

De vroegste opto-isolatoren, die oorspronkelijk als lichtcellen op de markt werden gebracht, ontstonden in de jaren zestig. Zij gebruikten miniatuur gloeilampen als lichtbronnen, en cadmiumsulfide (CdS) of cadmiumselenide (CdSe) fotoresistors (ook wel lichtafhankelijke weerstanden, LDR’s genoemd) als ontvangers. In toepassingen waar de regellineariteit niet belangrijk was, of waar de beschikbare stroom te laag was om een gloeilamp aan te drijven (zoals het geval was in vacuümbuisversterkers), werd deze vervangen door een neonlamp. Deze apparaten (of alleen hun LDR-component) werden gewoonlijk Vactrols genoemd, naar een handelsmerk van Vactec, Inc. Het handelsmerk is sindsdien generiek, maar de oorspronkelijke Vactrols worden nog steeds vervaardigd door PerkinElmer.

De aan- en uitschakelvertraging van een gloeilamp ligt in het honderden milliseconden bereik, waardoor de lamp een effectieve laagdoorlaatfilter en gelijkrichter is, maar het praktische modulatiefrequentiebereik beperkt tot een paar Hertz. Met de introductie van lichtgevende dioden (LED’s) in 1968-1970 vervingen de fabrikanten gloei- en neonlampen door LED’s en bereikten reactietijden van 5 milliseconden en modulatiefrequenties tot 250 Hz. De naam Vactrol werd overgenomen op LED-gebaseerde apparaten die, vanaf 2010, nog steeds in kleine hoeveelheden worden geproduceerd.

Photoresistoren die in opto-isolatoren worden gebruikt, berusten op bulkeffecten in een uniforme film van halfgeleider; er zijn geen p-n juncties. Als enige onder de fotosensoren zijn fotoresistoren niet-polaire apparaten, geschikt voor zowel wissel- als gelijkstroomschakelingen. Hun weerstand daalt omgekeerd evenredig met de intensiteit van het binnenkomende licht, van vrijwel oneindig tot een restdiepte die zo laag kan zijn als minder dan honderd Ohm. Deze eigenschappen maakten de oorspronkelijke Vactrol tot een handige en goedkope automatische versterkingsregeling en compressor voor telefoonnetwerken. De fotoresistoren waren bestand tegen spanningen tot 400 Volt, waardoor ze ideaal waren voor het aansturen van vacuüm fluorescentie displays. Andere industriële toepassingen waren fotokopieerapparaten, industriële automatisering, professionele lichtmeetinstrumenten en auto-belichtingsmeters. De meeste van deze toepassingen zijn nu verouderd, maar resistieve opto-isolatoren behielden een niche in de audio, in het bijzonder gitaarversterker, markten.

Amerikaanse gitaar en orgel fabrikanten van de jaren 1960 omarmden de resistieve opto-isolator als een handige en goedkope tremolo modulator. De vroege tremolo effecten van Fender gebruikten twee vacuümbuizen; na 1964 werd een van deze buizen vervangen door een optocoupler gemaakt van een LDR en een neonlamp. Tot op heden zijn Vactrols, die worden geactiveerd door op het stompboxpedaal te drukken, alomtegenwoordig in de muziekindustrie. Tekorten aan originele PerkinElmer Vactrols dwongen de doe-het-zelf gitaargemeenschap ertoe hun eigen resistieve opto-isolators te “rollen”. Gitaristen geven tot op heden de voorkeur aan opto-geïsoleerde effecten omdat hun superieure scheiding van audio- en controlegrond resulteert in een “inherent hoge kwaliteit van het geluid”. De vervorming die door een fotoresistor op lijnniveau signaal wordt geïntroduceerd is echter groter dan die van een professionele elektrisch gekoppelde spanningsgestuurde versterker. De prestaties worden verder nadelig beïnvloed door langzame schommelingen in de weerstand als gevolg van de lichtgeschiedenis, een geheugeneffect dat inherent is aan cadmiumverbindingen. Dergelijke fluctuaties nemen uren in beslag en kunnen slechts gedeeltelijk worden gecompenseerd met terugkoppeling in het regelcircuit.

Fotodiode opto-isolatorsEdit

Een snelle fotodiode opto-isolator met een versterkercircuit aan de uitgangszijde.

Diode opto-isolators maken gebruik van LED’s als lichtbronnen en silicium fotodiodes als sensoren. Wanneer de fotodiode met een externe spanningsbron in sperrichting wordt gezet, verhoogt het binnenkomende licht de sperstroom die door de diode loopt. De diode genereert zelf geen energie, maar moduleert de energiestroom van een externe bron. Deze werkingswijze wordt fotogeleidend genoemd. Bij afwezigheid van een externe voorspanning zet de diode de lichtenergie om in elektrische energie door de aansluitpunten op te laden tot een spanning van maximaal 0,7 V. De oplaadsnelheid is evenredig met de intensiteit van het invallende licht. De energie wordt geoogst door de lading af te voeren via een extern pad met hoge impedantie; de verhouding van de stroomoverdracht kan 0,2% bereiken. Deze wijze van werking wordt fotovoltaïsche modus genoemd.

De snelste opto-isolatoren maken gebruik van PIN-dioden in fotogeleidende modus. De reactietijden van PIN-dioden liggen in het subnanoseconde bereik; de totale systeemsnelheid wordt beperkt door vertragingen in de LED-output en in de biasing circuits. Om deze vertragingen tot een minimum te beperken, bevatten snelle digitale opto-isolatoren hun eigen LED-drivers en uitgangsversterkers die voor snelheid zijn geoptimaliseerd. Deze apparaten worden vollogische opto-isolatoren genoemd: hun LED’s en sensoren zijn volledig ingekapseld in een digitale logische schakeling. De Hewlett-Packard 6N137/HPCL2601 familie van apparaten met interne uitgangsversterkers werd aan het eind van de jaren 1970 geïntroduceerd en bereikte 10 MBd gegevensoverdrachtsnelheden. Het bleef een industriestandaard tot de introductie van de 50 MBd Agilent Technologies 7723/0723 familie in 2002. De 7723/0723 serie opto-isolators bevatten CMOS LED drivers en een CMOS gebufferde versterker, die twee onafhankelijke externe voedingen van elk 5 V nodig hebben.

Photodiode opto-isolators kunnen worden gebruikt voor het interfacen van analoge signalen, hoewel hun niet-lineariteit steevast het signaal vervormt. Een speciale klasse van analoge opto-isolatoren, geïntroduceerd door Burr-Brown, maakt gebruik van twee fotodiodes en een operationele ingangsversterker om de niet-lineariteit van de diode te compenseren. Een van de twee identieke diodes wordt in de terugkoppellus van de versterker bedraad, waardoor de totale stroomoverbrengingsverhouding op een constant niveau wordt gehouden, ongeacht de niet-lineariteit in de tweede (uitgangs)diode.

Een nieuw idee van een bijzondere optische analoge signaalisolator werd ingediend op 3, juni 2011. De voorgestelde configuratie bestaat uit twee verschillende delen. Een van hen draagt het signaal over, en de andere zorgt voor een negatieve terugkoppeling om ervoor te zorgen dat het uitgangssignaal dezelfde kenmerken heeft als het ingangssignaal. Deze voorgestelde analoge isolator is lineair over een breed bereik van ingangsspanning en frequentie. Lineaire opto-koppelaars volgens dit principe zijn echter al vele jaren beschikbaar, bijvoorbeeld de IL300.

Solid-state relais die zijn opgebouwd rond MOSFET schakelaars maken gewoonlijk gebruik van een fotodiode opto-isolator om de schakelaar aan te drijven. De gate van een MOSFET heeft een relatief kleine totale lading nodig om in te schakelen en de lekstroom in stationaire toestand is zeer laag. Een fotodiode in fotovoltaïsche modus kan in een redelijk korte tijd een inschakellading genereren, maar de uitgangsspanning is vele malen lager dan de drempelspanning van de MOSFET. Om de vereiste drempelwaarde te bereiken, bevatten solid-state relais stapels van maximaal dertig fotodiodes die in serie zijn geschakeld.

Fototransistor opto-isolatorenEdit

Fototransistoren zijn inherent langzamer dan fotodiodes. De vroegste en langzaamste, maar nog steeds gangbare 4N35 opto-isolator, bijvoorbeeld, heeft stijg- en daaltijden van 5 μs in een belasting van 100 Ohm en zijn bandbreedte is beperkt tot ongeveer 10 kilohertz – voldoende voor toepassingen als elektro-encefalografie of pulsbreedtemotorregeling. Apparaten zoals PC-900 of 6N138, aanbevolen in de oorspronkelijke specificatie van 1983 van de Musical Instrument Digital Interface, maken digitale gegevensoverdrachtsnelheden van tientallen kiloBauds mogelijk. Fototransistors moeten op de juiste wijze worden voorgespannen en belast om hun maximale snelheden te bereiken, bijvoorbeeld, de 4N28 werkt tot 50 kHz met optimale voor-spanning en minder dan 4 kHz zonder.

Ontwerpen met transistor opto-isolators vereist royale toleranties voor grote fluctuaties van parameters die in commercieel verkrijgbare apparaten worden aangetroffen. Dergelijke fluctuaties kunnen destructief zijn, bijvoorbeeld wanneer een opto-isolator in de terugkoppellus van een DC-to-DC-omzetter zijn overdrachtsfunctie verandert en ongewenste oscillaties veroorzaakt, of wanneer onverwachte vertragingen in opto-isolatoren een kortsluiting veroorzaken door één zijde van een H-brug. De datasheets van de fabrikanten vermelden gewoonlijk slechts worst-case waarden voor kritische parameters; de werkelijke apparaten overtreffen deze worst-case schattingen op een onvoorspelbare manier. Bob Pease merkte op dat de stroomoverdrachtsratio in een partij 4N28’s kan variëren van 15% tot meer dan 100%; het gegevensblad gaf slechts een minimum van 10% aan. Transistor beta in dezelfde partij kan variëren van 300 tot 3000, resulterend in 10:1 variatie in bandbreedte.

Opto-isolators die veld-effect transistors (FET’s) gebruiken als sensoren zijn zeldzaam en kunnen, net als vactrols, worden gebruikt als op afstand bediende analoge potentiometers, mits de spanning over de uitgangsaansluiting van de FET niet hoger is dan een paar honderd mV. Opto-FET’s schakelen in zonder schakellading in het uitgangscircuit te injecteren, wat bijzonder nuttig is in sample and hold circuits.

Bidirectionele opto-isolatorenEdit

Alle tot nu toe beschreven opto-isolatoren zijn uni-directioneel. Het optische kanaal werkt altijd in één richting, van de bron (LED) naar de sensor. De sensoren, of het nu fotoresistoren, fotodiodes of fototransistoren zijn, kunnen geen licht uitstralen. Maar LED’s, zoals alle halfgeleiderdioden, zijn in staat inkomend licht te detecteren, wat de constructie van een bidirectionele opto-isolator uit een paar LED’s mogelijk maakt. De eenvoudigste bidirectionele opto-isolator is niet meer dan een paar LED’s die tegenover elkaar zijn geplaatst en met een krimpkousje bij elkaar worden gehouden. Indien nodig kan de spleet tussen twee LED’s worden vergroot met een glasvezelinzetstuk.

LED’s voor het zichtbare spectrum hebben een relatief slechte overdrachtsefficiëntie, zodat GaAs, GaAs:Si en AlGaAs:Si LED’s voor het nabije infraroodspectrum de voorkeur genieten voor bidirectionele inrichtingen. Bidirectionele opto-isolatoren gebouwd rond paren GaAs:Si LED’s hebben een stroomoverdrachtsratio van ongeveer 0,06% in fotovoltaïsche of fotogeleidende modus – minder dan op fotodiode gebaseerde isolatoren, maar voldoende praktisch voor toepassingen in de echte wereld.