הצמד "פולט אופטי - מקלט אופטי" נמצא בשימוש זמן רב בהנדסת אלקטרוניקה וחשמל. רכיב אלקטרוני בו המקלט והמשדר נמצאים באותו בית וקיים קישור אופטי ביניהם נקרא מצמד אופטו או מצמד אופטי.
מכשיר מצמד אופטו
המצמד האופטי מורכב ממשדר אופטי (מפיץ), ערוץ אופטי ומקלט אותות אופטי. משדר הפוטו ממיר את האות החשמלי לאות אופטי. המשדר ברוב המקרים הוא LED (בדגמים קודמים השתמשו בנורות ליבון או ניאון). השימוש בנוריות הוא לא עקרוני, אבל הם יותר עמידים ואמינים.
האות האופטי מועבר דרך ערוץ אופטי למקלט. הערוץ סגור - כאשר האור הנפלט מהמשדר אינו חורג מגוף המצמד האופטו. אז האות שנוצר על ידי המקלט מסונכרן עם האות בכניסת המשדר.ערוצים כאלה הם אוויר או מלאים בתרכובת אופטית מיוחדת. ישנם גם מצמדים אופטו "ארוכים", הערוץ שבו הוא סיב אופטי.
אם המצמד האופטו מתוכנן כך שהקרינה הנוצרת, לפני שהיא מגיעה למקלט, יוצאת מהבית, ערוץ כזה נקרא פתוח. באמצעותו ניתן לרשום מכשולים שעולים בנתיב אלומת האור.
הפוטו-גלאי מבצע המרה הפוכה של האות האופטי לחשמלי. הרסיברים הנפוצים ביותר הם:
- פוטודיודות. משמש בדרך כלל בקווי תקשורת דיגיטליים. השושלת שלהם קטנה.
- נגדי צילום. התכונה שלהם היא מוליכות הדו-כיוונית של המקלט. הזרם דרך הנגד יכול לעבור לכל כיוון.
- פוטוטרנזיסטורים. תכונה של מכשירים כאלה היא היכולת לשלוט בזרם הטרנזיסטור הן באמצעות משדר אופטו והן דרך מעגל המוצא. משמש הן במצב ליניארי והן במצב דיגיטלי. סוג נפרד של מצמדים אופטו - עם טרנזיסטורי אפקט שדה מקבילים. מכשירים כאלה נקראים ממסרי מצב מוצק.
- פוטוטיריסטורים. מצמדים אופטיים כאלה נבדלים על ידי הספק מוגבר של מעגלי פלט ומהירות המיתוג שלהם; מכשירים כאלה משמשים בנוחות בשליטה על אלמנטים של אלקטרוניקת כוח. התקנים אלה מסווגים גם כממסרי מצב מוצק.
מיקרו-מעגלים מצמדים אופטו הפכו לנפוצים - מכלולים של מצמדים אופטיים עם רצועות בחבילה אחת. מצמדים אופטיים כאלה משמשים כמכשירי מיתוג ולמטרות אחרות.
יתרונות וחסרונות
היתרון הראשון שצוין במכשירים אופטיים הוא היעדר חלקים מכניים.המשמעות היא שבמהלך הפעולה אין חיכוך, בלאי, ניצוץ של מגעים, כמו בממסרים אלקטרומכניים. בניגוד להתקנים אחרים לבידוד גלווני של אותות (שנאים וכו'), מצמדים אופטו יכולים לפעול בתדרים נמוכים מאוד, כולל זרם ישר.
בנוסף, היתרון של בידוד אופטי הוא צימוד קיבולי ואינדוקטיבי נמוך מאוד בין קלט ליציאה. בשל כך, ההסתברות לשידור של דחפים והפרעות בתדר גבוה מופחתת. היעדר חיבור מכני וחשמלי בין הקלט והפלט מספק אפשרות למגוון פתרונות טכניים ליצירת מעגלי בקרה ומיתוג ללא מגע.
למרות המגבלה בתכנונים אמיתיים במונחים של מתח וזרם עבור קלט ופלט, בתיאוריה אין מכשולים מהותיים להגדלת המאפיינים הללו. זה מאפשר לך ליצור מצמדים אופטיים כמעט לכל משימה.
החסרונות של מצמדים אופטו כוללים העברת אותות חד כיוונית - אי אפשר להעביר אות אופטי מהפוטו-גלאי חזרה למשדר. זה מקשה על ארגון המשוב בהתאם לתגובת המעגל המקבל לאות המשדר.
ניתן להשפיע על התגובה של החלק הקולט לא רק על ידי שינוי הקרינה של המשדר, אלא גם על ידי השפעה על מצב הערוץ (הופעה של אובייקטים של צד שלישי, שינוי המאפיינים האופטיים של מדיום הערוץ וכו'). השפעה כזו יכולה להיות גם בעלת אופי לא חשמלי. זה מרחיב את אפשרויות השימוש במצמדים אופטו. וחוסר רגישות לשדות אלקטרומגנטיים חיצוניים מאפשר לך ליצור ערוצי שידור נתונים עם חסינות גבוהה לרעש.
החיסרון העיקרי של מצמדים אופטיים הוא יעילות אנרגטית נמוכה הקשורה לאובדן אות במהלך המרת אותות כפול. גם חסרון הוא רמת הרעש הפנימית הגבוהה. זה מפחית את הרגישות של מצמדים אופטיים ומגביל את היקף היישום שלהם כאשר יש צורך בעבודה עם אותות חלשים.
בעת שימוש במצמדים אופטו, יש לקחת בחשבון גם את השפעת הטמפרטורה על הפרמטרים שלהם - היא משמעותית. בנוסף, החסרונות של מצמדים אופטו כוללים השפלה ניכרת של האלמנטים במהלך הפעולה וחוסר טכנולוגיה מסוים בייצור הקשור לשימוש בחומרים מוליכים למחצה שונים בחבילה אחת.
מאפיינים של מצמדים אופטו
פרמטרים של מצמד אופטו מתחלקים לשתי קטגוריות:
- אפיון המאפיינים של המכשיר להעברת אות;
- מאפיין את הניתוק בין קלט לפלט.
הקטגוריה הראשונה היא מקדם ההעברה הנוכחי. זה תלוי בפליטת ה-LED, ברגישות המקלט ובמאפייני הערוץ האופטי. מקדם זה שווה ליחס בין זרם המוצא לזרם הכניסה ולרוב סוגי המצמדים האופטיים הוא 0.005 ... 0.2. עבור אלמנטים טרנזיסטורים, מקדם ההעברה יכול להגיע ל-1.
אם ניקח בחשבון את המצמד האופטו כארבעה קוטב, אז מאפיין הקלט שלו נקבע לחלוטין על ידי ה-CVC של הפולט האופטו (LED), והפלט - על ידי המאפיין של המקלט. מאפיין המעבר הוא בדרך כלל לא ליניארי, אך לסוגים מסוימים של מצמידים אופטיים יש חתכים ליניאריים. אז, לחלק מה-CVC של מצמד האופטו של הדיודה יש ליניאריות טובה, אבל הקטע הזה לא גדול במיוחד.
אלמנטים נגדים מוערכים גם על ידי היחס בין התנגדות כהה (עם זרם כניסה שווה לאפס) להתנגדות האור. עבור מצמדים אופטיים תיריסטורים, מאפיין חשוב הוא זרם האחזקה המינימלי במצב פתוח. הפרמטרים המשמעותיים של המצמד האופטו כוללים גם את תדר הפעולה הגבוה ביותר.
איכות הבידוד הגלווני מאופיינת ב:
- המתח המרבי המופעל על הקלט והפלט;
- מתח מקסימלי בין קלט ליציאה;
- התנגדות בידוד בין קלט ופלט;
- יכולת מעבר.
הפרמטר האחרון מאפיין את היכולת של אות חשמלי בתדר גבוה לדלוף מהכניסה ליציאה, תוך עקיפת הערוץ האופטי, דרך הקיבול בין האלקטרודות.
ישנם פרמטרים המאפשרים לקבוע את היכולות של מעגל הקלט:
- המתח הגבוה ביותר שניתן להפעיל על מסופי הכניסה;
- הזרם המקסימלי שה-LED יכול לעמוד בו;
- נפילת מתח על פני LED בזרם נקוב;
- מתח כניסה הפוך - מתח קוטביות הפוכה שה-LED יכול לעמוד בו.
עבור מעגל הפלט, מאפיינים אלה יהיו זרם הפלט והמתח המרביים המותרים, כמו גם זרם הדליפה בזרם כניסה אפס.
היקף המצמדים האופטיים
משתמשים במצמדים אופטו עם תעלה סגורה כאשר מסיבה כלשהי (בטיחות חשמלית וכו') נדרש ניתוק בין מקור האות לצד המקבל. למשל, בלולאות משוב החלפת ספקי כוח - האות נלקח מפלט PSU, מוזן לאלמנט המקרין, שהבהירות שלו תלויה ברמת המתח.אות בהתאם למתח המוצא נלקח מהמקלט ומוזן לבקר PWM.
שבר של מעגל אספקת חשמל למחשב עם שני מצמדים אופטיים מוצג באיור. המצמד האופטו העליון IC2 יוצר משוב שמייצב את המתח. ה-IC3 התחתון פועל במצב דיסקרטי ומספק חשמל לשבב PWM כאשר מתח ההמתנה קיים.
בידוד גלווני בין מקור למקלט נדרש גם על ידי כמה ממשקים חשמליים סטנדרטיים.
מכשירים עם תעלה פתוחה משמשים ליצירת חיישנים לזיהוי חפצים כלשהם (נוכחות נייר במדפסת), מתגי גבול, מונים (חפצים על המסוע, מספר שיני גלגלי שיניים במניפולטורים של עכבר) וכו'.
ממסרי מצב מוצק משמשים באותו מקום כמו ממסרים רגילים - למיתוג אותות. אבל התפשטותם מעוכבת על ידי ההתנגדות הגבוהה של הערוץ במצב פתוח. הם משמשים גם כדרייברים לאלמנטים של אלקטרוניקת כוח מוצק (אפקט שדה עוצמתי או טרנזיסטורי IGBT).
המצמד האופטו פותח לפני יותר מחצי מאה, אך השימוש הנרחב בו החל לאחר שנורות LED הפכו לזולות וזולות. כעת כל הדגמים החדשים של מצמדים אופטיים מפותחים (לרוב, מיקרו-מעגלים המבוססים עליהם), והיקפם רק הולך ומתרחב.
מאמרים דומים:
