Free Press

Mic

Optoizolatoare rezistiveEdit

Cele mai vechi optoizolatoare, comercializate inițial ca celule de lumină, au apărut în anii 1960. Acestea foloseau becuri cu incandescență miniaturale ca surse de lumină și fotorezistoare din sulfură de cadmiu (CdS) sau seleniură de cadmiu (CdSe) (numite și rezistențe dependente de lumină, LDR) ca receptori. În aplicațiile în care liniaritatea de control nu era importantă sau în care curentul disponibil era prea mic pentru a comanda un bec cu incandescență (cum era cazul amplificatoarelor cu tuburi cu vid), acesta a fost înlocuit cu o lampă cu neon. Aceste dispozitive (sau doar componenta lor LDR) erau denumite în mod obișnuit Vactrols, după o marcă comercială a Vactec, Inc. De atunci, marca comercială a fost generalizată, dar Vactrols originale sunt încă fabricate de PerkinElmer.

Retardul de activare și dezactivare al unui bec cu incandescență este de ordinul sutelor de milisecunde, ceea ce face ca becul să fie un filtru trece-jos și un redresor eficient, dar limitează domeniul practic de frecvență de modulație la câțiva hertzi. Odată cu introducerea diodelor emițătoare de lumină (LED) în 1968-1970, producătorii au înlocuit lămpile cu incandescență și cu neon cu LED-uri și au obținut timpi de răspuns de 5 milisecunde și frecvențe de modulație de până la 250 Hz. Numele Vactrol a fost preluat pe dispozitivele pe bază de LED-uri care, începând din 2010, sunt încă produse în cantități mici.

Fotorezistoarele utilizate în optoizolatoare se bazează pe efecte de masă într-o peliculă uniformă de semiconductor; nu există joncțiuni p-n. În mod unic în rândul fotosenzorilor, fotorezistoarele sunt dispozitive nepolare, potrivite atât pentru circuite de curent alternativ, cât și de curent continuu. Rezistența lor scade în mod invers proporțional cu intensitatea luminii primite, de la aproape infinit până la un minim rezidual care poate fi mai mic de o sută de ohmi. Aceste proprietăți au făcut din Vactrol-ul original un control automat convenabil și ieftin al câștigului și un compresor pentru rețelele de telefonie. Fotorezistoarele au rezistat cu ușurință la tensiuni de până la 400 de volți, ceea ce le-a făcut ideale pentru acționarea afișajelor fluorescente în vid. Alte aplicații industriale au inclus fotocopiatoare, automatizări industriale, instrumente profesionale de măsurare a luminii și aparate de măsură a expunerii automate. Cele mai multe dintre aceste aplicații sunt acum depășite, dar optoizolatoarele rezistive au păstrat o nișă pe piața audio, în special pe cea a amplificatoarelor de chitară.

Producătorii americani de chitară și orgă din anii 1960 au adoptat optoizolatorul rezistiv ca un modulator de tremolo convenabil și ieftin. Primele efecte de tremolo de la Fender foloseau două tuburi cu vid; după 1964, unul dintre aceste tuburi a fost înlocuit cu un optocuplor format dintr-un LDR și o lampă de neon. Până în prezent, Vactrolurile activate prin apăsarea pedalei stompbox sunt omniprezente în industria muzicală. Lipsa de Vactrols PerkinElmer autentice a forțat comunitatea de chitare DIY să își „rostogolească” propriile optoizolatoare rezistive. Chitariștii preferă până în prezent efectele optoizolate, deoarece separarea superioară a terenurilor audio și de control are ca rezultat „o calitate inerentă ridicată a sunetului”. Cu toate acestea, distorsiunea introdusă de un fotorezistor la un semnal de nivel de linie este mai mare decât cea a unui amplificator profesional cuplat electric și controlat prin tensiune. Performanța este compromisă și mai mult de fluctuațiile lente ale rezistenței datorate istoriei luminii, un efect de memorie inerent compușilor de cadmiu. Astfel de fluctuații au nevoie de ore pentru a se stabiliza și pot fi doar parțial compensate cu reacție în circuitul de control.

Optoizolatoare cu fotodiodeEdit

Un optoizolator rapid cu fotodiode cu un circuit amplificator pe partea de ieșire.

Optoizolatoarele cu diode utilizează LED-uri ca surse de lumină și fotodiode de siliciu ca senzori. Când fotodioda este polarizată invers cu o sursă de tensiune externă, lumina care intră crește curentul invers care circulă prin diodă. Dioda în sine nu generează energie, ci modulează fluxul de energie de la o sursă externă. Acest mod de funcționare se numește mod fotoconductiv. Alternativ, în absența unei polarizări externe, dioda convertește energia luminii în energie electrică prin încărcarea terminalelor sale la o tensiune de până la 0,7 V. Rata de încărcare este proporțională cu intensitatea luminii primite. Energia este recoltată prin drenarea sarcinii printr-o cale externă de înaltă impedanță; raportul de transfer de curent poate ajunge la 0,2%. Acest mod de funcționare se numește modul fotovoltaic.

Cele mai rapide optoizolatoare utilizează diode PIN în modul fotoconductiv. Timpii de răspuns ai diodelor PIN se situează în domeniul subnanosecundei; viteza globală a sistemului este limitată de întârzierile la ieșirea LED-ului și în circuitul de polarizare. Pentru a minimiza aceste întârzieri, optoizolatoarele digitale rapide conțin propriile drivere LED și amplificatoare de ieșire optimizate pentru viteză. Aceste dispozitive se numesc optoizolatoare logice complete: LED-urile și senzorii lor sunt complet încapsulate într-un circuit logic digital. Familia Hewlett-Packard 6N137/HPCL2601 de dispozitive echipate cu amplificatoare de ieșire interne a fost introdusă la sfârșitul anilor 1970 și a atins viteze de transfer de date de 10 MBd. Aceasta a rămas un standard industrial până la introducerea familiei Agilent Technologies 7723/0723 de 50 MBd în 2002. Seria 7723/0723 de optoizolatoare conține drivere LED CMOS și un amplificator tamponat CMOS, care necesită două surse de alimentare externe independente de 5 V fiecare.

Optoizolatoarele cu fotodiode pot fi utilizate pentru interfațarea semnalelor analogice, deși neliniaritatea lor distorsionează invariabil semnalul. O clasă specială de optoizolatoare analogice introduse de Burr-Brown utilizează două fotodiode și un amplificator operațional pe partea de intrare pentru a compensa neliniaritatea diodelor. Una dintre cele două diode identice este cablată în bucla de reacție a amplificatorului, care menține raportul global de transfer de curent la un nivel constant, indiferent de neliniaritatea celei de-a doua diode (de ieșire).

O idee nouă a unui izolator special de semnal analogic optic a fost prezentată la 3, iunie 2011. Configurația propusă constă din două părți diferite. Una dintre ele transferă semnalul, iar cealaltă stabilește o reacție negativă pentru a se asigura că semnalul de ieșire are aceleași caracteristici ca și semnalul de intrare. Acest izolator analogic propus este liniar pe o gamă largă de tensiune și frecvență de intrare. Cu toate acestea, optocuploarele optice liniare care utilizează acest principiu sunt disponibile de mulți ani, de exemplu IL300.

Releele cu semiconductori construite în jurul comutatoarelor MOSFET utilizează de obicei un optoizolator cu fotodiodă pentru a comanda comutatorul. Poarta unui MOSFET necesită o sarcină totală relativ mică pentru a porni, iar curentul său de scurgere în regim permanent este foarte mic. O fotodiodă în modul fotovoltaic poate genera o sarcină de activare într-un timp rezonabil de scurt, dar tensiunea sa de ieșire este de multe ori mai mică decât tensiunea de prag a MOSFET-ului. Pentru a atinge pragul necesar, releele cu semiconductori conțin stive de până la treizeci de fotodiode cablate în serie.

Optoizolatoare cu fototransistoriEdit

Phototransistorii sunt în mod inerent mai lenți decât fotodiodele. Cel mai vechi și cel mai lent, dar încă comun, optoizolator 4N35, de exemplu, are timpi de creștere și cădere de 5 μs într-o sarcină de 100 Ohm și lățimea sa de bandă este limitată la aproximativ 10 kilohertzi – suficient pentru aplicații precum electroencefalografia sau controlul motorului în lățime de impulsuri. Dispozitive precum PC-900 sau 6N138, recomandate în specificația originală a interfeței digitale pentru instrumente muzicale din 1983, permit viteze de transfer de date digitale de zeci de kiloBauzi. Fototransistoarele trebuie să fie polarizate și încărcate corespunzător pentru a atinge vitezele lor maxime, de exemplu, 4N28 funcționează până la 50 kHz cu polarizare optimă și mai puțin de 4 kHz fără ea.

Proiectarea cu optoizolatoare cu tranzistori necesită toleranțe generoase pentru fluctuațiile mari ale parametrilor întâlnite în dispozitivele disponibile în comerț. Astfel de fluctuații pot fi distructive, de exemplu, atunci când un optoizolator din bucla de reacție a unui convertor C.C./C.C. își modifică funcția de transfer și provoacă oscilații false sau atunci când întârzieri neașteptate în optoizolatoare provoacă un scurtcircuit printr-o parte a unei punți H. Fișele tehnice ale producătorilor enumeră, de obicei, doar valorile din cel mai rău caz pentru parametrii critici; dispozitivele reale depășesc aceste estimări din cel mai rău caz într-un mod imprevizibil. Bob Pease a observat că raportul de transfer de curent într-un lot de 4N28 poate varia de la 15% la mai mult de 100%; fișa tehnică specifica doar un minim de 10%. Tranzistorul beta în același lot poate varia de la 300 la 3000, rezultând o variație de 10:1 în lățimea de bandă.

Opto-izolatoarele care folosesc tranzistori cu efect de câmp (FET) ca senzori sunt rare și, ca și vactroanele, pot fi folosite ca potențiometre analogice controlate de la distanță, cu condiția ca tensiunea pe terminalul de ieșire al FET-ului să nu depășească câteva sute de mV. Opto-FET-urile se pornesc fără a injecta sarcină de comutare în circuitul de ieșire, ceea ce este deosebit de util în circuitele de eșantionare și menținere.

Optoizolatoare bidirecționaleEdit

Toate optoizolatoarele descrise până acum sunt unidirecționale. Canalul optic funcționează întotdeauna într-un singur sens, de la sursă (LED) la senzor. Senzorii, fie că sunt fotorezistoare, fotodiode sau fototransistoare, nu pot emite lumină. Dar LED-urile, ca toate diodele semiconductoare, sunt capabile să detecteze lumina care intră, ceea ce face posibilă construirea unui optoizolator cu două căi dintr-o pereche de LED-uri. Cel mai simplu optoizolator bidirecțional este pur și simplu o pereche de LED-uri plasate față în față și ținute împreună cu un tub termocontractabil. Dacă este necesar, spațiul dintre două LED-uri poate fi extins cu o inserție de fibră de sticlă.

Legumele LED din spectrul vizibil au o eficiență de transfer relativ slabă, astfel că LED-urile GaAs, GaAs:Si și AlGaAs:Si din spectrul infraroșu apropiat sunt alegerea preferată pentru dispozitivele bidirecționale. Optoizolatoarele bidirecționale construite în jurul unor perechi de LED-uri GaAs:Si au un raport de transfer de curent de aproximativ 0,06%, fie în modul fotovoltaic, fie în cel fotoconductiv – mai puțin decât izolatoarele bazate pe fotodiode, dar suficient de practice pentru aplicațiile din lumea reală.

.