Optische Steckverbinder und ihre Anwendungen
Ein Optokoppler (oder Optokoppler, wie er seit kurzem genannt wird) besteht strukturell aus zwei Elementen: einem Emitter und einem Fotodetektor, die in der Regel in einem gemeinsamen versiegelten Gehäuse vereint sind.
Es gibt viele Arten von Optokopplern: Widerstand, Diode, Transistor, Thyristor. Diese Namen geben den Typ des Fotodetektors an. Als Emitter wird üblicherweise eine Halbleiter-Infrarot-LED mit einer Wellenlänge im Bereich von 0,9 … 1,2 Mikrometer verwendet. Außerdem kommen rote LEDs, Elektrolumineszenzstrahler und Miniaturglühlampen zum Einsatz.
Der Hauptzweck von Optokopplern besteht darin, eine galvanische Trennung zwischen Signalkreisen bereitzustellen. Auf dieser Grundlage kann das allgemeine Funktionsprinzip dieser Geräte trotz der Unterschiede bei den Fotodetektoren als dasselbe angesehen werden: Das am Emitter ankommende elektrische Eingangssignal wird in einen Lichtfluss umgewandelt, der durch Einwirkung auf den Fotodetektor dessen Leitfähigkeit ändert .
Wenn der Fotodetektor ist Fotowiderstand, dann wird sein Lichtwiderstand tausendmal kleiner als der ursprüngliche (Dunkel-)Widerstand, wenn der Fototransistor – die Bestrahlung seiner Basis den gleichen Effekt erzeugt wie wenn Strom an die Basis angelegt wird konventioneller Transistorund öffnet sich.
Dadurch entsteht am Ausgang des Optokopplers ein Signal, das im Allgemeinen nicht mit der Form des Eingangs identisch sein darf und die Eingangs- und Ausgangskreise sind nicht galvanisch verbunden. Zwischen den Eingangs- und Ausgangskreisen des Optokopplers wird eine elektrisch starke transparente dielektrische Masse (normalerweise ein organisches Polymer) platziert, deren Widerstand 10 ^ 9 ... 10 ^ 12 Ohm erreicht.
Industriell hergestellte Optokoppler werden nach dem aktuellen Bezeichnungssystem für Halbleiterbauelemente benannt.
Der erste Buchstabe der Bezeichnung des Optokopplers (A) gibt das Ausgangsmaterial des Emitters an – Galliumarsenid oder eine feste Lösung von Gallium-Aluminium-Arsen, der zweite (O) bedeutet die Unterklasse – Optokoppler; Die dritte zeigt, zu welchem Typ das Gerät gehört: P – Widerstand, D – Diode, T – Transistor, Y – Thyristor. Als nächstes folgen Zahlen, die die Nummer der Entwicklung bedeuten, und ein Buchstabe – diese oder jene Typgruppe.
Optokoppler-Gerät
Der Emitter – eine unverpackte LED – befindet sich üblicherweise im oberen Teil des Metallgehäuses und im unteren Teil befindet sich auf einem Kristallhalter ein verstärkter Silizium-Fotodetektor, beispielsweise ein Photothyristor. Der gesamte Raum zwischen LED und Photothyristor ist mit einer erstarrenden transparenten Masse gefüllt. Diese Füllung ist mit einer Schicht bedeckt, die Lichtstrahlen nach innen reflektiert und so verhindert, dass Licht außerhalb des Arbeitsbereichs gestreut wird.
Ein etwas anderes Design als der beschriebene Widerstands-Optokoppler... Hier ist im oberen Teil des Metallkörpers eine Miniaturlampe mit Glühfaden und im unteren Teil ein Fotowiderstand auf Basis von Cadmiumselen eingebaut.
Der Fotowiderstand wird separat auf einer dünnen Sitalbasis hergestellt. Darauf wird ein Film aus einem halbleitenden Material, Cadmiumselenid, aufgesprüht, woraufhin Elektroden aus einem leitenden Material (z. B. Aluminium) gebildet werden. Die Ausgangsdrähte sind mit den Elektroden verschweißt. Die starre Verbindung zwischen Lampe und Sockel erfolgt durch eine ausgehärtete transparente Masse.
Die Löcher im Gehäuse für die Optokopplerdrähte sind mit Glas gefüllt. Die dichte Verbindung von Deckel und Gehäuseboden wird durch Schweißen gewährleistet.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie (CVC) eines Thyristor-Optokopplers ist ungefähr die gleiche wie die eines einzelnen Thyristor… Ohne Eingangsstrom (I = 0 – Dunkelkennlinie) kann der Photothyristor nur bei einem sehr hohen Wert der an ihn angelegten Spannung (800 … 1000 V) einschalten. Da das Anlegen einer so hohen Spannung praktisch nicht akzeptabel ist, ist diese Kurve rein theoretisch sinnvoll.
Wenn an den Photothyristor eine direkte Betriebsspannung (von 50 bis 400 V, abhängig von der Art des Optokopplers) angelegt wird, kann das Gerät nur dann eingeschaltet werden, wenn ein Eingangsstrom zugeführt wird, der nun der treibende ist.
Die Schaltgeschwindigkeit des Optokopplers hängt vom Wert des Eingangsstroms ab. Typische Schaltzeiten liegen bei t = 5 … 10 μs. Die Abschaltzeit des Optokopplers hängt mit dem Prozess der Resorption von Minoritätsstromträgern in den Übergängen des Photothyristors zusammen und hängt nur vom Wert des fließenden Ausgangsstroms ab.Der tatsächliche Wert der Auslösezeit liegt im Bereich von 10 … 50 μs.
Der maximale und Betriebsausgangsstrom des Fotowiderstands-Optokopplers nimmt stark ab, wenn die Umgebungstemperatur über 40 Grad Celsius steigt. Der Ausgangswiderstand dieses Optokopplers bleibt bis zum Wert des Eingangsstroms von 4 mA konstant und nimmt bei weiterem Anstieg des Eingangsstroms (wenn die Helligkeit der Glühlampe zuzunehmen beginnt) stark ab.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen gibt es Optokoppler mit dem sogenannten offener optischer Kanal... Hier ist der Illuminator eine Infrarot-LED und der Fotodetektor kann ein Fotowiderstand, eine Fotodiode oder ein Fototransistor sein. Der Unterschied zwischen diesem Optokoppler besteht darin, dass seine Strahlung ausgeht, von einem externen Objekt reflektiert wird und zum Optokoppler, zum Fotodetektor, zurückkehrt. Bei einem solchen Optokoppler kann der Ausgangsstrom nicht nur durch den Eingangsstrom, sondern auch durch die Änderung der Position der äußeren reflektierenden Oberfläche gesteuert werden.
Bei Optokopplern mit offenem optischen Kanal sind die optischen Achsen von Sender und Empfänger parallel oder in einem leichten Winkel. Es gibt Ausführungen solcher Optokoppler mit koaxialen optischen Achsen. Solche Geräte werden Optokoppler genannt.
Anwendung von Otrons
Derzeit werden Optokoppler häufig verwendet, insbesondere um mikroelektronische Logikblöcke, die leistungsstarke diskrete Elemente enthalten, mit Aktoren (Relais, Elektromotoren, Schütze usw.) zu kombinieren, sowie für die Kommunikation zwischen Logikblöcken, die eine galvanische Trennung sowie eine Modulation konstanter und langsamer Änderungen erfordern Spannungen, Wandlung Rechteckimpulse in Sinusschwingungen, Steuerung leistungsstarker Lampen und Hochspannungsanzeigen.