Оглавление
Оптоэлектронная пара (ОЭП, оптопара) — это электронный компонент, состоящий из источника света (обычно светодиода) и фотоприемника (например, фотодиода, фототранзистора или фоторезистора), которые объединены в одном корпусе или разделены в пространстве. Она предназначена для передачи сигналов посредством светового излучения без электрического соединения между компонентами.
Принцип работы оптоэлектронной пары
- Источник света (обычно инфракрасный светодиод) преобразует электрический сигнал в оптический.
- Излучение светодиода направляется на фотоприемник.
- Фотоприемник преобразует световое излучение обратно в электрический сигнал.
- При наличии препятствия или разрыве светового луча фотоприемник перестает получать сигнал, что фиксируется в цепи.
Основное преимущество: электрическая изоляция между входной и выходной цепями при высокой скорости передачи сигналов.
Типы оптоэлектронных пар
- С общей оптической осью (замкнутые):
- Светодиод и фотоприемник находятся в одном корпусе.
- Применяются для гальванической развязки сигналов.
- С разомкнутой оптической осью (раздельные):
- Источник света и приемник расположены на некотором расстоянии друг от друга.
- Используются в системах, где необходимо обнаружение прерывания светового луча (датчики положения, сигнализации).
Компоненты оптоэлектронной пары
- Источник света:
- Типичный элемент: инфракрасный светодиод (IR LED).
- Особенности: Низкая мощность, высокая скорость отклика.
- Фотоприемник:
- Фотодиод: Быстрый отклик, высокая точность.
- Фототранзистор: Высокая чувствительность, подходит для усиления слабых сигналов.
- Фоторезистор: Изменяет сопротивление под действием света, используется в аналоговых приложениях.
- Корпус:
- Материал: Пластик или металл.
- Обеспечивает защиту от внешних факторов (влага, пыль) и корректное направление светового потока.
Параметры оптоэлектронных пар
| Параметр | Описание | Типичные значения |
|---|---|---|
| Напряжение питания | Диапазон напряжений, необходимый для работы светодиода. | 5–30 В |
| Ток светодиода | Ток, проходящий через источник света. | 5–20 мА |
| Чувствительность фотоприемника | Зависимость выходного сигнала от уровня освещения. | До 90% при оптимальной длине волны |
| Длина волны излучения | Рабочая длина волны света, создаваемого светодиодом. | 800–950 нм (инфракрасный спектр) |
| Время отклика | Время, за которое фотоприемник реагирует на изменение света. | 1–10 мкс |
| Коэффициент передачи тока (CTR) | Отношение выходного тока к входному току светодиода. | 50–600% |
| Температурный диапазон | Диапазон рабочих температур, при которых устройство сохраняет свои параметры. | -40°C до +85°C |
Схемы подключения оптопар
Гальваническая развязка: Используется в системах, где необходимо передать сигнал без физического контакта между цепями (например, управление мощными приборами, изолированными от микроконтроллеров).
Датчики прерывания луча: Применяются для обнаружения объектов или считывания положения. Пример: Оптоэлектронная пара с разомкнутой оптической осью фиксирует наличие объекта, прерывающего свет.
Применение оптоэлектронных пар
- Гальваническая развязка:
- Изоляция сигналов между низковольтной и высоковольтной частью схем.
- Примеры: инверторы, блоки питания, промышленные контроллеры.
- Датчики и сенсоры:
- Обнаружение объектов (промышленные и бытовые устройства).
- Примеры: лифты, системы безопасности.
- Передача данных:
- Высокоскоростная передача цифровых сигналов.
- Примеры: интерфейсы связи, такие как USB, RS-232.
- Оптоэлектронные реле:
- Управление высоковольтными нагрузками через низковольтные сигналы.
Преимущества и недостатки ОЭП
| Преимущества | Недостатки |
|---|---|
| Полная электрическая изоляция | Ограниченная длина оптического пути |
| Высокая скорость передачи сигналов | Чувствительность к внешним помехам |
| Надежность и долговечность | Ограничения по температурным режимам |
| Простота конструкции и компактность | Сложности в настройке при разомкнутой оси |
Типичные модели оптоэлектронных пар
| Модель | Тип фотоприемника | Особенности | Применение |
|---|---|---|---|
| 4N25 | Фототранзистор | Гальваническая развязка | Управление низковольтными цепями |
| PC817 | Фототранзистор | Низкая стоимость, компактность | Бытовая электроника, платы управления |
| TCRT5000 | Фототранзистор | Разомкнутая ось, датчик расстояния | Робототехника, системы безопасности |
| SFH620A | Фототранзистор | Высокий коэффициент передачи тока | Силовые цепи |
| H11L1 | Фотодиод | Высокая скорость передачи | Цифровые интерфейсы |
Оптоэлектронная пара – это универсальный компонент, который играет важную роль в системах управления, передачи сигналов и автоматизации. Ее уникальная способность обеспечивать электрическую изоляцию между цепями, компактность и высокая надежность делают ее незаменимой в современном оборудовании.
Лабораторная работа по ОП
В этой лабораторной работе, которых планируется в дальнейшем выложить ещё несколько, мы проведём изучение оптоэлектронных пар. Приборы и оборудование: милиамперметр, вольтметр, оптопара (диодная), источник питания, миливольтметр.
Теоретическая часть
Оптронами называются оптоэлектронные приборы, в которых имеются излучатели и фотоприемники и используются оптические и электрические связи, а также конструктивно соединенные друг с другом элементы. Некоторые разновидности оптронов известны как оптопары, или оптоизоляторы.
Наибольшее распространение получили оптроны с внешними электрическими выходами и выходными сигналами и внутренними оптическими сигналами. В электрической схеме подобный оптрон выполняет функцию выходного элемента — фотоприемника с одновременной электрической изоляцией (гальванической развязкой) входа и выхода. Излучатель является источником фотонов, в качестве которого может служить светодиод или миниатюрная лампа накаливания. Оптической средой может быть воздух, стекло, пластмасса или волоконный световод.
В электрической схеме подобный оптрон выполняет функцию выходного элемента — фотоприемника с одновременной электрической изоляцией (гальванической развязкой) входа и выхода. Излучатель является источником фотонов, в качестве которого может служить светодиод или миниатюрная лампа накаливания. Оптической средой может быть воздух, стекло, пластмасса или волоконный световод. В качестве фотоприемников используются фотодиоды, а так же фототранзисторы, фототиристоры и фоторезисторы.
В диодной оптопаре в качестве фотоприемного элемента используется фотодиод на основе кремния, а излучателем служит инфракрасный излучающий диод. Максимум спектральной характеристики излучающего диода приходится на длину волны 1 мкм. При облучении в фотодиоде возникает генерация пар носителей заряда — электронов и дырок. Интенсивность генерации пропорциональна силе света, а следовательно, входному току. Свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем перехода фотодиода и заряжают р-область положительно, а n-область отрицательно. Таким образом, на выходных выводах оптопары появляется фото-ЭДС.
В реальных приборах она не превышает 0,7…0,8 В, а КПД составляет около 1%. Если к фотодиоду оптопары приложено обратное напряжение более 0,5 В, то электроны и дырки, генерированные излучением, увеличивают обратный ток фотодиода. Такой режим работы приемного элемента оптопары называется фотодиодным. Обратный фототок практически линейно возрастает с увеличением силы света излучающего диода. Время нарастания и спада фототока в таких фотодиодах может составлять единицы и даже доли наносекунд. Однако быстродействие оптопары в целом зависит еще и от быстродействия излучателя, а также от сопротивления выходной нагрузки. Реальное время задержки сигнала в диодном оптроне составляет около 1 мкс.
Для описания свойств диодных оптопар обычно используют входные и выходные ВАХ, передаточные характеристики в фотогенераторном и фотодиодном режимах.
Практическая часть
1) Собрать цепь представленную на схеме и провести измерения входных и выходных характеристик.
Рис. 1 Схема сборки цепи для исследования диодной оптопары в фотогенераторном режиме
В работе используется диодная оптопара, извлеченная из 5 дюймового дисковода гибких дисков, закрепленная на панели и снабженная кожухом от внешней засветки.
Во входную цепь включен токооограничительный резистор R1. Ток, даваемый фотодиодом оптопары крайне мал, так что измерить его затруднительно. Регулируя ток во входной цепи добиваемся появления напряжения на выводах фотодиода.
2) Провести измерения входных и выходных характеристик. Данные занести в таблицы и построить ВАХ для входной характеристики.
Литература
1) Князков О.М. и др. Лабораторные работы по основам промышленной электроники. М.: Высшая школа, 1988.
