Free Press

Resistiva optoisolatörerRedigera

De tidigaste opto-isolatorerna, som ursprungligen marknadsfördes som ljusceller, dök upp på 1960-talet. De använde miniatyrglödlampor som ljuskällor och fotoresistorer av kadmiumsulfid (CdS) eller kadmiumselenid (CdSe) (även kallade ljusberoende motstånd, LDR) som mottagare. I tillämpningar där styrningens linjäritet inte var viktig, eller där den tillgängliga strömmen var för låg för att driva en glödlampa (vilket var fallet i vakuumrörsförstärkare), ersattes den med en neonlampa. Dessa enheter (eller bara deras LDR-komponent) kallades vanligen Vactrols, efter ett varumärke från Vactec, Inc. Varumärket har sedan dess blivit generiskt, men de ursprungliga Vactrols tillverkas fortfarande av PerkinElmer.

Till- och frånslagsfördröjningen för en glödlampa ligger på hundratals millisekunder, vilket gör glödlampan till ett effektivt lågpassfilter och en effektiv likriktare, men begränsar det praktiska moduleringsfrekvensområdet till några få Hertz. I och med introduktionen av lysdioder (LED) 1968-1970 ersatte tillverkarna glödlampor och neonlampor med LED och uppnådde svarstider på 5 millisekunder och moduleringsfrekvenser på upp till 250 Hz. Namnet Vactrol fördes vidare på LED-baserade enheter som 2010 fortfarande tillverkas i små mängder.

Fotoresistorer som används i optoisolatorer bygger på bulkeffekter i en enhetlig film av halvledare; det finns inga p-n-övergångar. Fotoresistorer är unika bland fotosensorer och är opolära enheter som lämpar sig för både växelströms- och likströmskretsar. Deras motstånd sjunker i omvänd proportion till intensiteten hos det inkommande ljuset, från praktiskt taget oändligt till ett restvärde som kan vara så lågt som mindre än hundra ohm. Dessa egenskaper gjorde den ursprungliga Vactrol till en praktisk och billig automatisk förstärkningsreglering och kompressor för telefonnät. Fotoresistorerna tålde lätt spänningar på upp till 400 volt, vilket gjorde dem idealiska för att driva vakuumlysrörsdisplayer. Andra industriella tillämpningar var bland annat kopieringsapparater, industriell automation, professionella ljusmätningsinstrument och automatiska exponeringsmätare. De flesta av dessa tillämpningar är nu föråldrade, men resistiva opto-isolatorer behöll en nisch på marknaden för ljud, särskilt gitarrförstärkare.

Amerikanska gitarr- och orgeltillverkare på 1960-talet anammade den resistiva opto-isolatorn som en praktisk och billig tremolomodulator. Fenders tidiga tremolo-effekter använde två vakuumrör; efter 1964 ersattes ett av dessa rör av en optokopplare bestående av en LDR och en neonlampa. Hittills är Vactrols som aktiveras genom att trycka på stompboxpedalen allestädes närvarande i musikindustrin. Bristen på äkta PerkinElmer Vactrols tvingade DIY-gitarristerna att ”rulla sina egna” resistiva optoisolatorer. Gitarrister föredrar fortfarande optoisolerade effekter eftersom deras överlägsna separation av ljud- och kontrolljordar resulterar i en ”naturligt hög ljudkvalitet”. Den distorsion som införs av en fotoresistor vid en signal på linjenivå är dock högre än den som införs av en professionell elektriskt kopplad spänningsstyrd förstärkare. Prestandan försämras ytterligare av långsamma fluktuationer i motståndet på grund av ljushistorik, en minneseffekt som är inneboende i kadmiumföreningar. Sådana fluktuationer tar timmar att lägga sig och kan endast delvis kompenseras med återkoppling i styrkretsen.

FotodiodoptoisolatorerRedigera

En snabb fotodiodoptoisolator med en förstärkarkrets på utgångssidan.

Diodoptoisolatorer använder lysdioder som ljuskällor och kiselfotodioder som sensorer. När fotodioden är omvänt polariserad med en extern spänningskälla ökar inkommande ljus den omvända strömmen som flödar genom dioden. Dioden i sig genererar ingen energi, utan modulerar energiflödet från en extern källa. Detta driftssätt kallas fotokonduktivt driftssätt. Alternativt, i avsaknad av extern spänning, omvandlar dioden ljusets energi till elektrisk energi genom att ladda sina terminaler till en spänning på upp till 0,7 V. Laddningshastigheten är proportionell mot intensiteten hos det inkommande ljuset. Energin tas tillvara genom att laddningen töms genom en extern högimpedansbana; förhållandet mellan strömöverföringen kan uppgå till 0,2 %. Detta driftssätt kallas fotovoltaiskt läge.

De snabbaste optoisolatorerna använder PIN-dioder i fotokonduktivt läge. Svarstiderna för PIN-dioder ligger inom subnanosekundområdet; den totala systemhastigheten begränsas av fördröjningar i LED-utgången och i förspänningskretsen. För att minimera dessa fördröjningar innehåller snabba digitala optoisolatorer sina egna LED-drivrutiner och utgångsförstärkare som är optimerade för snabbhet. Dessa enheter kallas opto-isolatorer med full logik: deras lysdioder och sensorer är helt inkapslade i en digital logikkrets. Hewlett-Packards 6N137/HPCL2601-familj av enheter utrustade med interna utgångsförstärkare introducerades i slutet av 1970-talet och uppnådde dataöverföringshastigheter på 10 MBd. Den förblev en industristandard tills Agilent Technologies 7723/0723-familjen med en kapacitet på 50 MBd introducerades 2002. Optoisolatorerna i 7723/0723-serien innehåller CMOS LED-drivrutiner och CMOS-buffertförstärkare, som kräver två oberoende externa strömförsörjningar på 5 V vardera.

Otopoisolatorer med fotodioder kan användas för att koppla ihop analoga signaler, även om deras icke-linjäritet alltid förvränger signalen. En särskild klass av analoga optoisolatorer som introducerades av Burr-Brown använder två fotodioder och en operationsförstärkare på ingångssidan för att kompensera för diodernas icke-linjäritet. En av två identiska dioder är inkopplad i förstärkarens återkopplingsslinga, vilket håller det totala strömöverföringsförhållandet på en konstant nivå oberoende av icke-linjäriteten i den andra (utgångs)dioden.

En ny idé om en särskild optisk analog signalisolator lämnades in den 3 juni 2011. Den föreslagna konfigurationen består av två olika delar. En av dem överför signalen och den andra upprättar en negativ återkoppling för att se till att utgångssignalen har samma egenskaper som ingångssignalen. Den föreslagna analoga isolatorn är linjär över ett brett intervall av ingångsspänning och frekvens. Linjära opto-kopplare som använder denna princip har dock funnits tillgängliga i många år, till exempel IL300.

Fasta reläer som är byggda kring MOSFET-brytare använder vanligen en fotodiod-opto-isolator för att driva brytaren. En MOSFETs grind kräver en relativt liten total laddning för att slås på och dess läckström i stationärt tillstånd är mycket låg. En fotodiod i solcellsläge kan generera laddning för att slå på på en relativt kort tid, men dess utgångsspänning är många gånger lägre än MOSFET:s tröskelspänning. För att nå den erforderliga tröskeln innehåller halvledarreläer staplar med upp till trettio fotodioder kopplade i serie.

FototransistoroptoisolatorerRedigera

Fotototransistorer är av naturliga skäl långsammare än fotodioder. Den tidigaste och långsammaste men fortfarande vanliga 4N35-optoisolatorn, till exempel, har stignings- och falltider på 5 μs i en belastning på 100 ohm och dess bandbredd är begränsad till cirka 10 kilohertz – tillräckligt för tillämpningar som elektroencefalografi eller pulsbreddsmotorstyrning. Enheter som PC-900 eller 6N138 som rekommenderas i den ursprungliga specifikationen för Musical Instrument Digital Interface från 1983 möjliggör digitala dataöverföringshastigheter på tiotals kiloBauds. Fototransistorer måste vara korrekt polariserade och laddade för att uppnå sina maximala hastigheter, t.ex. 4N28 arbetar vid upp till 50 kHz med optimal förspänning och mindre än 4 kHz utan det.

Design med transistoroptoisolatorer kräver generösa hänsynstaganden för stora fluktuationer i parametrar som finns i kommersiellt tillgängliga enheter. Sådana fluktuationer kan vara destruktiva, t.ex. när en opto-isolator i återkopplingsslingan i en likströms- till likströmsomvandlare ändrar sin överföringsfunktion och orsakar falska svängningar, eller när oväntade fördröjningar i opto-isolatorer orsakar en kortslutning genom den ena sidan av en H-brygga. I tillverkarnas datablad anges vanligtvis endast värsta möjliga värden för kritiska parametrar, och de faktiska enheterna överskrider dessa värsta möjliga uppskattningar på ett oförutsägbart sätt. Bob Pease observerade att strömöverföringsförhållandet i ett parti 4N28:or kan variera från 15 % till mer än 100 %; i databladet angavs endast ett minimum på 10 %. Transistorbeta i samma sats kan variera från 300 till 3000, vilket resulterar i en 10:1-varians i bandbredd.

Optoisolatorer som använder fälteffekttransistorer (FET) som sensorer är sällsynta och kan, liksom vactrols, användas som fjärrstyrda analoga potentiometrar under förutsättning att spänningen över FET:s utgångsterminal inte överstiger några hundra mV. Opto-FETs slår på utan att injicera kopplingsladdning i utgångskretsen, vilket är särskilt användbart i sample and hold-kretsar.

Dubbelriktade opto-isolatorerRedigera

Alla opto-isolatorer som hittills beskrivits är enkelriktade. Den optiska kanalen fungerar alltid i en riktning, från källan (lysdioden) till sensorn. Sensorerna, vare sig de är fotoresistorer, fotodioder eller fototransistorer, kan inte avge ljus. Men lysdioder, liksom alla halvledardioder, kan detektera inkommande ljus, vilket gör det möjligt att konstruera en dubbelriktad optoisolator från ett par lysdioder. Den enklaste dubbelriktade optoisolatorn består bara av ett par lysdioder som är placerade ansikte mot ansikte och hålls ihop med krympslangar. Om det behövs kan gapet mellan två lysdioder förlängas med en glasfiberinsats.

Ljusdioder med synligt spektrum har en relativt dålig överföringseffektivitet, vilket innebär att lysdioder med nära infrarött spektrum av GaAs, GaAs:Si och AlGaAs:Si är det bästa valet för dubbelriktade anordningar. Tvåvägs optoisolatorer byggda kring par GaAs:Si lysdioder har en strömöverföringsgrad på cirka 0,06 % i antingen fotovoltaiskt eller fotokonduktivt läge – mindre än fotodiodbaserade isolatorer, men tillräckligt praktiskt för verkliga tillämpningar.