Free Press

Optoizolatory rezystancyjneEdit

Najwcześniejsze optoizolatory, początkowo sprzedawane jako ogniwa świetlne, pojawiły się w latach 60. ubiegłego wieku. Wykorzystywały one miniaturowe żarówki jako źródła światła oraz fotorezystory z siarczku kadmu (CdS) lub selenku kadmu (CdSe) (zwane również rezystorami zależnymi od światła, LDR) jako odbiorniki. W zastosowaniach, gdzie liniowość sterowania nie była istotna, lub gdzie dostępny prąd był zbyt mały do wysterowania żarówki (jak to miało miejsce we wzmacniaczach lampowych), zastępowano ją lampą neonową. Urządzenia te (lub tylko ich element LDR) były powszechnie nazywane Vactrolami, od znaku towarowego firmy Vactec, Inc. Znak towarowy został od tego czasu uogólniony, ale oryginalne Vactrole są nadal produkowane przez PerkinElmer.

Opóźnienie włączenia i wyłączenia żarówki leży w zakresie setek milisekund, co czyni żarówkę skutecznym filtrem dolnoprzepustowym i prostownikiem, ale ogranicza praktyczny zakres częstotliwości modulacji do kilku herców. Wraz z wprowadzeniem diod elektroluminescencyjnych (LED) w latach 1968-1970, producenci zastąpili żarówki i lampy neonowe diodami LED i uzyskali czasy odpowiedzi rzędu 5 milisekund i częstotliwości modulacji do 250 Hz. Nazwa Vactrol została przeniesiona na urządzenia oparte na diodach LED, które od 2010 roku są nadal produkowane w niewielkich ilościach.

Fotorezystory stosowane w optoizolatorach opierają się na efektach objętościowych w jednolitej warstwie półprzewodnika; nie występują w nich złącza p-n. Wyjątkowo wśród fotosensorów, fotorezystory są urządzeniami niepolarnymi, nadającymi się do obwodów AC lub DC. Ich rezystancja spada odwrotnie proporcjonalnie do intensywności padającego światła, od praktycznie nieskończoności do poziomu rezydualnego, który może być nawet niższy niż sto omów. Te właściwości sprawiły, że oryginalny Vactrol był wygodnym i tanim automatycznym regulatorem wzmocnienia i kompresorem dla sieci telefonicznych. Fotorezystory z łatwością wytrzymywały napięcia dochodzące do 400 V, co czyniło je idealnymi do zasilania próżniowych wyświetlaczy fluorescencyjnych. Inne zastosowania przemysłowe obejmowały fotokopiarki, automatykę przemysłową, profesjonalne przyrządy do pomiaru światła i mierniki automatycznej ekspozycji. Większość z tych zastosowań jest obecnie przestarzała, ale optoizolatory rezystancyjne zachowały swoją niszę w audio, w szczególności na rynku wzmacniaczy gitarowych.

Amerykańscy producenci gitar i organów w latach 60-tych przyjęli optoizolator rezystancyjny jako wygodny i tani modulator tremolo. Wczesne efekty tremolo firmy Fender wykorzystywały dwie lampy próżniowe; po roku 1964 jedna z tych lamp została zastąpiona transoptorem wykonanym z LDR i lampy neonowej. Do dnia dzisiejszego, Vactrole aktywowane poprzez naciśnięcie pedału stompboxa są wszechobecne w przemyśle muzycznym. Niedostatek oryginalnych Vactroli PerkinElmer zmusił społeczność gitarowych majsterkowiczów do „sklecenia” własnych optoizolatorów rezystancyjnych. Gitarzyści do tej pory preferują efekty optoizolowane, ponieważ ich lepsza separacja masy audio i masy sterującej skutkuje „z natury wysoką jakością dźwięku”. Jednakże, zniekształcenia wprowadzane przez fotorezystor przy poziomie sygnału liniowego są wyższe niż w przypadku profesjonalnego, elektrycznie sprzężonego wzmacniacza sterowanego napięciem. Wydajność jest dodatkowo pogarszana przez powolne fluktuacje rezystancji spowodowane historią świetlną, efektem pamięci właściwym dla związków kadmu. Takie fluktuacje trwają godzinami i mogą być tylko częściowo kompensowane przez sprzężenie zwrotne w obwodzie sterującym.

Fotodiodowe optoizolatoryEdit

Szybki fotodiodowy optoizolator z obwodem wzmacniacza po stronie wyjściowej.

Optoizolatory diodowe wykorzystują diody LED jako źródła światła i fotodiody krzemowe jako czujniki. Gdy fotodioda jest odwrotnie spolaryzowana z zewnętrznym źródłem napięcia, przychodzące światło zwiększa prąd wsteczny płynący przez diodę. Sama dioda nie generuje energii; moduluje ona przepływ energii z zewnętrznego źródła. Ten tryb pracy nazywany jest trybem fotokondukcyjnym. Alternatywnie, przy braku zewnętrznego biasu dioda zamienia energię światła na energię elektryczną ładując swoje końcówki do napięcia do 0,7V. Szybkość ładowania jest proporcjonalna do intensywności padającego światła. Energia jest zbierana poprzez odprowadzenie ładunku przez zewnętrzną ścieżkę o wysokiej impedancji; współczynnik transferu prądu może osiągnąć 0,2%. Ten tryb pracy nazywany jest trybem fotowoltaicznym.

Najszybsze optoizolatory wykorzystują diody PIN w trybie fotokondukcyjnym. Czasy odpowiedzi diod PIN leżą w zakresie subnanosekund; ogólna szybkość systemu jest ograniczona przez opóźnienia w wyjściu diod LED i w obwodzie biasowania. Aby zminimalizować te opóźnienia, szybkie cyfrowe optoizolatory zawierają własne sterowniki diod LED i wzmacniacze wyjściowe zoptymalizowane pod kątem szybkości. Urządzenia te nazywane są optoizolatorami z pełną logiką: ich diody LED i czujniki są w pełni zamknięte w cyfrowym obwodzie logicznym. Rodzina urządzeń 6N137/HPCL2601 firmy Hewlett-Packard wyposażona w wewnętrzne wzmacniacze wyjściowe została wprowadzona w późnych latach 70-tych i osiągnęła prędkość transferu danych 10 MBd. Pozostała ona standardem przemysłowym do czasu wprowadzenia w 2002 roku rodziny Agilent Technologies 7723/0723 o szybkości 50 MBd. Optoizolatory serii 7723/0723 zawierają sterowniki diod CMOS i buforowane wzmacniacze CMOS, które wymagają dwóch niezależnych zewnętrznych zasilaczy po 5 V każdy.

Optoizolatory fotodiodowe mogą być używane do łączenia sygnałów analogowych, chociaż ich nieliniowość niezmiennie zniekształca sygnał. Specjalna klasa optoizolatorów analogowych wprowadzona przez Burr-Browna wykorzystuje dwie fotodiody i wzmacniacz operacyjny po stronie wejściowej, aby skompensować nieliniowość diody. Jedna z dwóch identycznych diod jest włączona w pętlę sprzężenia zwrotnego wzmacniacza, który utrzymuje ogólny współczynnik przenoszenia prądu na stałym poziomie niezależnie od nieliniowości drugiej (wyjściowej) diody.

Nowatorski pomysł konkretnego optycznego izolatora sygnału analogowego został przedstawiony 3 czerwca 2011 roku. Proponowana konfiguracja składa się z dwóch różnych części. Jedna z nich przenosi sygnał, a druga ustanawia ujemne sprzężenie zwrotne, aby zapewnić, że sygnał wyjściowy ma takie same cechy jak sygnał wejściowy. Proponowany izolator analogowy jest liniowy w szerokim zakresie napięcia wejściowego i częstotliwości. Jednak liniowe opto-sprzęgacze wykorzystujące tę zasadę są dostępne od wielu lat, na przykład IL300.

Przekaźniki półprzewodnikowe zbudowane wokół przełączników MOSFET zazwyczaj wykorzystują opto-izolator z fotodiodą do napędzania przełącznika. Bramka MOSFET-u wymaga stosunkowo niewielkiego ładunku całkowitego do włączenia, a jej prąd upływu w stanie ustalonym jest bardzo mały. Fotodioda w trybie fotowoltaicznym może generować ładunek włączający w dość krótkim czasie, ale jej napięcie wyjściowe jest wielokrotnie mniejsze od napięcia progowego MOSFETa. Aby osiągnąć wymagany próg, przekaźniki półprzewodnikowe zawierają stosy do trzydziestu fotodiod połączonych szeregowo.

Fototranzystorowe optoizolatoryEdit

Fotototranzystory są z natury wolniejsze od fotodiod. Najwcześniejszy i najwolniejszy, ale nadal powszechny optoizolator 4N35, na przykład, ma czasy narastania i opadania 5 μs przy obciążeniu 100 Ohm, a jego pasmo przenoszenia jest ograniczone do około 10 kiloherców – wystarczające do zastosowań takich jak elektroencefalografia lub sterowanie silnikiem o szerokości impulsu. Urządzenia takie jak PC-900 lub 6N138 zalecane w oryginalnej specyfikacji Musical Instrument Digital Interface z 1983 roku pozwalają na przesyłanie danych cyfrowych z prędkością dziesiątek kiloBaudów. Fototranzystory muszą być odpowiednio spolaryzowane i obciążone, aby osiągnąć swoje maksymalne prędkości, na przykład, 4N28 pracuje z częstotliwością do 50 kHz przy optymalnym spolaryzowaniu i mniej niż 4 kHz bez niego.

Projektowanie z optoizolatorami tranzystorowymi wymaga hojnych przydziałów na szerokie wahania parametrów spotykanych w dostępnych na rynku urządzeniach. Takie fluktuacje mogą być destrukcyjne, na przykład, gdy optoizolator w pętli sprzężenia zwrotnego przetwornicy DC-DC zmienia swoją funkcję przenoszenia i powoduje fałszywe oscylacje, lub gdy nieoczekiwane opóźnienia w optoizolatorach powodują zwarcie po jednej stronie mostka H. Karty katalogowe producentów zazwyczaj podają tylko wartości najgorszego przypadku dla krytycznych parametrów; rzeczywiste urządzenia przekraczają te najgorsze oszacowania w nieprzewidywalny sposób. Bob Pease zaobserwował, że współczynnik przenoszenia prądu w partii tranzystorów 4N28 może wahać się od 15% do ponad 100%, podczas gdy w datasheet podano jedynie minimalną wartość 10%. Beta tranzystorów w tej samej partii może się różnić od 300 do 3000, co daje wariancję pasma 10:1.

Optoizolatory wykorzystujące tranzystory polowe (FET) jako czujniki są rzadkie i, podobnie jak vactrole, mogą być używane jako zdalnie sterowane potencjometry analogowe pod warunkiem, że napięcie na zacisku wyjściowym FET nie przekracza kilkuset mV. Opto-FET-y włączają się bez wstrzykiwania ładunku przełączającego w obwód wyjściowy, co jest szczególnie przydatne w układach typu sample and hold.

Optoizolatory dwukierunkoweEdit

Wszystkie opisane do tej pory optoizolatory są jednokierunkowe. Kanał optyczny zawsze działa w jedną stronę, od źródła (diody LED) do czujnika. Czujniki, czy to fotorezystory, fotodiody, czy fototranzystory, nie mogą emitować światła. Natomiast diody LED, jak wszystkie diody półprzewodnikowe, są zdolne do wykrywania światła przychodzącego, co umożliwia zbudowanie optoizolatora dwukierunkowego z pary diod LED. Najprostszy optoizolator dwukierunkowy to para diod LED umieszczonych naprzeciwko siebie i połączonych rurką termokurczliwą. W razie potrzeby szczelinę pomiędzy dwoma diodami LED można powiększyć za pomocą wkładki z włókna szklanego.

Diody LED o spektrum widzialnym mają stosunkowo niską wydajność transferu, dlatego diody LED o spektrum bliskiej podczerwieni GaAs, GaAs:Si i AlGaAs:Si są preferowanym wyborem dla urządzeń dwukierunkowych. Dwukierunkowe optoizolatory zbudowane wokół par diod GaAs:Si mają współczynnik przenoszenia prądu około 0,06% w trybie fotowoltaicznym lub fotoprzewodnictwa – mniej niż izolatory oparte na fotodiodach, ale wystarczająco praktyczny do zastosowań w świecie rzeczywistym.

.