6.2.   Применение оптопар

Оптопары позволяют решать те же задачи, что и отдельно взятые пары излучатель – фотоприемник, однако на практике они, как правило, более удобны, поскольку в них уже опти­мально подобраны характеристики излучателя и фотоприемника и их взаимное расположение.

Если говорить о наиболее очевидном применении оптопары, не имеющем аналогов среди других приборов, так это элемент гальванической развязки. Опто­пары (или, как их иногда называют, оптроны) применяют в качестве устройств связи между блоками аппаратуры, находящимися под различными потенциала­ми, для сопряжения микросхем, имеющих различные значения логических уров­ней. В этих случаях оптопара передает информацию между блоками, не имею­щими электрической связи, и самостоятельной функциональной нагрузки не несет.

Не менее интересно применение оптопар в качестве элементов оптического бесконтактного управления сильноточными и высоковольтными устройствами.

На оптопарах удобно строить узлы запуска мощных тиратронов, распредели­тельных и релейных устройств, устройств коммутации электропитания и т.п.

Оптопары с открытым оптическим каналом упрощают решение задач конт­роля параметров различных сред, позволяют создавать различные датчики (влажности, уровня и цвета жидкости, концентрации пыли и т.п.).

Одной из важнейших является линейная схема, пред­назначенная для неискаженной передачи по гальваниче­ски развязанной цепи аналоговых сигналов. Сложность этой проблемы связана с тем, что для линеаризации передаточной характеристики в широком диапазоне то­ков и температур необходима петля обратной связи, принципиально не реализуемая при наличии гальваниче­ской развязки. Поэтому идут по пути использования двух идентичных оптронов (или дифференциального оптрона), один из которых выступает в качестве вспо­могательного элемента, обеспечивающего обратную связь (рис. 6.13). В таких схемах удобно использовать диффе­ренциальные оптопары КОД301А, КОД303А.

На рис. 6.14 представлена схема двуступенного транзисторного усилителя с оптоэлектронной связью. Изменение тока коллектора транзистора VT1 вызы­вает соответствующее изменение тока светодиода оптопары U1 и сопротивле­ния ее фоторезистора, который включен в цепь базы транзистора VT2. На на­грузочном резисторе R2 выделя

ется усиленный выходной сигнал. Применение оптопары практически полностью устраняет передачу сигнала с выхода на вход усилителя.

Оптопары удобны для межблочной гальванической развязки в радиоэлектронной аппаратуре. Например, в схеме гальванической развязки двух блоков (рис. 6.15) сигнал с выхода блока 1 передается на вход блока 2 через диодную оптопару U1. Если в качестве второго блока использована интегральная микросхема с малым входным током, необходимость использования уси­лителя отпадает, а фотодиод оптопары в этом случае работает в фотогенера­торном режиме.

Рис. 6.13. Гальваническая развязка аналогового сигнала: 01, 02 – оптроны, У1, У2 – операционные усилители

Рис. 6.14. Двухкаскадный транзисторный усилитель с оптоэлектронной связью

Оптопары и оптоэлектронные микросхемы применяют в устройствах пере­дачи информации между блоками, не имеющими замкнутых электрических свя­зей. Применение оптопар существенно повышает помехоустойчивость каналов связи, устраняет нежелательные взаимодействия развязываемых устройств по цепям питания и общему проводу. Цепи сопряжения с применением оптопар широко используют в вычислительной и измерительной технике, в устройствах автоматики, особенно когда датчики или другие приемные устройства работают в условиях, опасных или недоступных человеку.

Например, реализация связи гальванически независимых логических элемен­тов может осуществляться с помощью оптоэлектронного переключателя (рис. 6.16). Оптоэлектронным переключателем может служить микросхема К249ЛП1, в состав которой входят бескорпусная оптопара и стандартный вентиль.

Оптопары позволяют упрощать решение задач сопряжения блоков, разно­родных по функциональному назначе
нию, характеру питания, например испол­нительных механизмов, питаемых от сети переменного тока, и цепей форми­рования управляющих сигналов, питаемых от низковольтных источников по­стоянного тока.

Большую группу задач представляет также согласование цифровых микро­схем с разными видами логики: транзисторно-транзисторной логикой  (ТТЛ), эмиттерносвя

занной логикой (ЭСЛ), комплементарной структурой «металл-окисел-полупроводник» (КМОП) и др. Пример схемы со­гласования элемента ТТЛ с МДП с помощью транзисторной оптопары показан на рисунке 6.17. Входная и выходная ступени не имеют общих электрических цепей и могут работать в самых различных условиях и режимах.

Идеальная гальваническая развязка нужна во многих практических случа­ях, например в медицинской диагностической аппаратуре, когда датчик при­креплен к телу человека, а измерительный блок, усиливающий и преобразую­щий сигналы датчика, подключен к сети. При неисправности измерительного блока может возникнуть опасность поражения человека электрическим током. Собственно датчик питается от отдельного низковольтного источника питания и подключается к измерительному блоку через развязывающую оптопару (рис. 6.18).

Оптопары удобны и в других случаях, когда «незаземленные» входные устройства приходится сопрягать с «заземленными» выходными устройствами. Примерами та

ких задач могут служить соединение линии телетайпной связи с дисплеем, «автоматический секретарь», подключаемый к телефонной линии, и т.п. Например, в схеме сопряжения линии связи с дисплеем (рис. 6.19, а) операционный усилитель обеспечивает требуемый уровень сигналов на входе дисплея. Аналогично можно связать передающий пульт с линией связи (рис. 6.19, б).

Рис. 6.19. Сопряжение «незаземленных» и «заземленных» устройств

Рис. 6.20. Оптоэлектронные полупроводниковые реле:

а – нормальноразомкнутое, б – нормальнозамкнутое

Усиленные сигналы фотоприемника удобно передавать на исполнительные механизмы (например, электродвигатели, реле, источники света и т.п.) через оптоэлектронную гальваническую развязку. Примерами такой развязки могут служить два варианта наиболее распространенных полупроводниковых реле, разомкнутых и замкнутых, (рис.6.20). Реле коммутирует сигналы постоянного тока. Сигнал, воспринимаемый фототранзистором оптопары, открывает транзисторы VT1, VT2 и вклю­чает нагрузку

(рис.6.20, а) или отключает ее (6.20, б).

 

Рис 6.21. Оптоэлектронный импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор – весьма распространенный элемент современ­ной радиоэлектронной аппаратуры. Его используют в различных генераторах импульсов, усилителях мощности импульсных сигналов, каналах связи, теле­метрических системах, телевизионной технике и т.п. Традиционное конструк­тивное исполнение импульсного трансформатора с применением магнитопровода и обмоток не совмещается с технологическими решениями, используемыми в микроэлектронике. Частотная характеристика трансформатора во многих случаях не позволяет удовлетворительно воспроизводить как низко -, так и высо­кочастотные сигналы.

Практически идеальный импульсный трансформатор мож­но изготовить на базе диодной оптопары. Например, в схеме оптоэлектронного трансфор­матора с диодной оптопарой изображена (рис. 6.21) транзистор VT1 управ­ляет светодиодом оптопары U1 Сигнал, генерируемый фотодиодом, усиливают транзисторы VT2 и VT3.

Длительность фронта импульсов в значительной степени зависит от быстро­действия оптопары. Наиболее высоким быстродействием обладают фотодиоды p—i—n-ст
руктуры. Время нарастания и спада выходного импульса не превышает нескольких десятков наносекунд.

На основе оптопар разработаны и выпускаются оптоэлектронные микросхемы, имеющие в своем составе одну или несколько оптопар, а также согла­сующие микроэлектронные схемы, усилители и другие функциональные эле­менты.

Совместимость оптопар и оптоэлектронных микросхем с другими стандарт­ными элементами микроэлектроники по уровням входных и выходных сигналов, напряжению питания и другим параметрам определили необходимость нормирования специальных параметров и характеристик.