Optický vazební člen, známý také jako optocoupler, opto-izolátor nebo opto{1}}člen, je klíčovou elektronickou součástkou, která nachází široké uplatnění v mnoha oblastech, jako je komunikace, průmyslové řízení a lékařská zařízení. Jeho hlavní funkcí je přenášet elektrické signály prostřednictvím světla jako média, čímž zajišťuje výbornou izolaci mezi vstupními a výstupními elektrickými signály. Díky tomu se stal jedním z nejvšestrannějších optoelektronických zařízení.
Princip Fungování Optického Vazebního Členu
Optický vazební člen se obvykle skládá ze tří hlavních částí:
- Světelný zdroj (emitující světlo): Vstupní elektrický signál řídí světelnou diodu (LED), která vysílá světlo určité vlnové délky.
- Přijímač světla (fotodetektor): Toto světlo je přijímáno fotodetektorem (např. fotodiodou nebo fototranzistorem), který generuje fotoproud.
- Zesílení signálu: Fotoproud je dále zesílen a vyveden jako výstupní elektrický signál.
Tímto procesem je dokončena elektro-opticko-elektrická konverze, která zajišťuje vstup, výstup a izolaci. Mezi emitujícím zdrojem a přijímačem je uzavřený optický kanál (také známý jako dielektrický kanál). Protože vstup a výstup optočlenu jsou navzájem izolovány, má přenos elektrického signálu charakteristiky jednosměrnosti, a tedy má dobrou schopnost elektrické izolace a odolnost proti rušení. Vstupní konec optočlenu patří k proudu pracujícímu s nízko-odporovým prvkem, což mu dodává silnou schopnost potlačení společného režimu. Kondenzační kapacita mezi trubicí emitující světlo a fotocitlivou trubicí je malá (asi 2 pf) a odolné napětí je vysoké (asi 2,5 KV), což vede k vysokému poměru odmítnutí v běžném režimu.
Klíčové Vlastnosti Optočlenů
Hlavní výhody optočlenu jsou:
- Jednosměrný přenos signálu.
- Vstupní a výstupní svorky jsou kompletně elektricky izolovány.
- Výstupní signál nemá žádný vliv na vstupní konec.
- Silná odolnost proti rušení a stabilní práce.
- Bezkontaktní, dlouhá životnost, efektivní přenos.
Parametry Optočlenů
- Aktuální převodní poměr (CTR): Poměr výstupního proudu a dopředného proudu světelné diody při specifikovaném provozním napětí výstupní elektronky. Odráží zesílení, účinnost nebo citlivost součástky.
- Doba náběhu pulsu (tr) a doba poklesu pulsu (tf): Čas potřebný pro změnu výstupního impulsu od 10 % do 90 % amplitudy (tr) a od 90 % do 10 % amplitudy (tf) při specifikovaném vstupním pulzním proudu LED.
- Izolační napětí (Vio): Hodnota izolačního výdržného napětí mezi vstupem a výstupem optočlenu. Komerčně dostupné optočleny mohou ustát napětí mezi vstupem a výstupem od 3 kV do 10 kV, resp. přechodové jevy s rychlostí přeběhu až 10 kV/µs.
- Izolační kapacita (Cio) a izolační odpor (Rio): Hodnota kapacity a izolačního odporu mezi vstupními a výstupními svorkami optočlenu.
Typy Optočlenů
Fotovazbový prvek lze rozdělit na dva druhy: analogové a digitální. Obvyklým fotoelektrickým vazebním prvkem je světelná dioda (LED) a fototranzistor (nebo jiné typy fotocitlivých součástek) v neprůhledném obalu.
Čtěte také: Vše o optických kabelech
Aplikace Optických Vazebních Členů
Optočleny se vyvíjely v 70. letech 20. století a široce se používají v různých aplikacích:
- Elektrická izolace, posun hladiny, mezistupňové spojení.
- Pohonné a spínací obvody, choppery, multivibrátory.
- Izolace signálu a mezistupňová izolace, obvody pulzního zesilovače.
- Digitální instrumentace, přenos signálu na velkou vzdálenost.
- Zesílení pulsu, polovodičové relé (SSR).
- Přístrojové vybavení, komunikační zařízení a počítačové rozhraní.
- V monolitických spínaných napájecích zdrojích pro přesnou regulaci napětí.
- Průmysl optických komunikací: Jako klíčový článek konverze a izolace signálu zajišťuje stabilní přenos a efektivní zpracování komunikačních signálů.
- Průmyslová automatizace: V řídicích systémech průmyslové automatizace (PLC, senzory, akční členy) pro vysokou spolehlivost a silnou odolnost proti rušení.
- Spotřební elektronika: V přenosných zařízeních (chytré telefony, tablety, nositelná zařízení) pro řízení spotřeby a přenos signálu.
- Nová energetická vozidla: V systémech řízení baterií (BMS) a systémech řízení motorů.
- Lékařská zařízení a biotechnologie: Pro elektrickou izolaci, snižující riziko úrazu pacientů elektrickým proudem.
Příklad Aplikace: Měření Jasu pro Úsporu Energie
Fototranzistory se používají k měření jasu a často ve spojení s diodami emitujícími světlo jako zařízení pro příjem signálu. Lze je využít k návrhu řídicího obvodu pro úsporu energie ve třídách nebo společných místnostech. Pokud jas dosáhne určité úrovně, zářivky se nespustí. Klíčem je volba světelných bodů; v případě více místností lze použít vícebodové vzorkování. Například ve 20 učebnách jsou umístěny fototranzistory. Pokud je většina z nich velmi jasná, zářivky se nespustí, což šetří energii.
Pro řešení situace, kdy se změní vnější jas (např. tmavé mraky), a zabránění zbytečnému plýtvání, lze nainstalovat světelný bod mimo učebnu. Když se rozdíl mezi vnitřní a venkovní intenzitou sníží na určitý rozsah, zářivky se automaticky vypnou. Aby se předešlo problémům s náhodnými změnami jasu (např. blesk při bouři), lze do obvodu instalovat čítač, který zajistí, že rozdíl jasu musí být udržován po určitou dobu před vypnutím zářivky.
Příklad Aplikace: Rychlost Bezkontaktního Měření
Snímač točivého momentu může být vybaven 60 ozubenými koly pro měření rychlosti otáčejícího se hřídele. Na pouzdru senzoru je namontován slotový fotoelektrický spínací rám, sestávající z diody emitující světlo a fototranzistoru. Každý zub kola pro měření rychlosti rozsvítí LED. Pokud je fototranzistor zablokován, vydává vysokou úroveň. Když světlo dopadne na okno fotocitlivé trubice přes mezeru mezi zuby, fotocitlivá trubice vydává nízkou úroveň a rotující hřídel může získat 60 pulzů na otáčku, takže počet detekovaných pulzů za sekundu je přesně stejný jako rychlost za minutu.
Praktické Cvičení: Sestavení Vlastního Optočlenu
V rámci cvičení si lze vytvořit optočlen složený z infračervené LED a fototranzistoru NPN. Zároveň lze prozkoumat činnost analogového izolačního zesilovače s optočlenem a také plovoucího zdroje proudu využívajícího integrované optočleny.
Čtěte také: Řešení pro optické rozvody s 8 spojkami
Materiály pro experiment:
- modul ADALM2000 (Active Learning Module)
- Nepájivé pole
- Propojovací vodiče
- 2x rezistor 2,2 kΩ
- 1x jednoduchý operační zesilovač typu OP27
- Infračervená LED (např. QED123)
- IR tranzistor (např. QSD123)
Postup sestavení:
- Ohněte vývody LED a fototranzistoru o 90 stupňů tak, aby po zapojení do nepájivého pole mohly stát obě součástky proti sobě a ve stejné výšce.
- Pro udržení patřičného spojení a zamezení vlivu okolního světla použijte krátkou trubičku nebo černou elektrikářskou pásku vhodné šíře, kterou spojení diody a fototranzistoru omotejte.
- Na nepájivém poli zapojte obvod tak, aby fototranzistor NPN pracoval jako proudová nora s emitorem připojeným k zemi. Delší z vývodů fototranzistoru bude jeho kolektor a kratší vývod LED pak máme zapojený na zem.
Měření CTR a rychlosti optočlenu:
Nastavte generátor průběhů tak, aby vyráběl trojúhelníkový signál na kmitočtu 100 Hz s amplitudou 3 V špička - špička a offsetem 2,5 V. Oba kanály osciloskopu nastavte s citlivostí 1 V/dílek.
- Měření CTR: Na kanálu osciloskopu č. 1 měřte napětí na rezistoru R1 (vstupní proud tekoucí do LED). Kanál č. 2 pak měří napětí na rezistoru R2 (výstupní proud tekoucí kolektorem tranzistoru NPN). CTR je poměr těchto dvou proudů.
- Měření rychlosti: Změňte vstup 1- kanálu č. 1 na zem. Přesuňte vstup 2+ kanálu č. 2 na kolektor fototranzistoru a vstup osciloskopu 2- opět na zem. Nastavte u generátoru průběhů obdélníkový signál s kmitočtem 5 kHz, amplitudou 5 V špička - špička a offsetem 2,5 V. Citlivost obou kanálů osciloskopu by měla být 1 V/dílek. Kanál osciloskopu č. 1 nyní měří vstupní signál, zatímco kanál č. 2 pak ten výstupní. Rychlost optočlenu lze popsat na základě zpoždění mezi průběhy na vstupu a výstupu a náběžných a sestupných hran výstupního signálu.
Zlepšení linearity s převodníkem napětí na proud:
Pokud LED zapojíme do zpětnovazební smyčky operačního zesilovače v konfiguraci převodníku napětí na proud, dokážeme výrazně potlačit vliv nelinearity svítivé diody. Pro vytvoření zesilovače s ještě lepší linearitou lze použít dva odpovídající integrované optočleny. Jestliže do zpětnovazební smyčky zahrneme i fototranzistor, dokážeme snižovat vliv nelinearity, pokud jde o charakteristiku fototranzistoru a převod světla na proud.
Optické Izolátory
Optický izolátor je optické pasivní zařízení, které umožňuje průchod světla pouze v jednom směru a blokuje světlo v opačném směru. Optické izolátory jsou velmi užitečné zařízení, které se obvykle používá v optické dráze, aby se zabránilo rušení a poškození světelného zdroje, zdroje čerpadla a dalších zařízení vyzařujících světlo způsobených ozvěnou v optické dráze.
Princip Fungování Optického Izolátoru
Optický izolátor používá především Faradayův efekt magnetooptického krystalu. Faradayův efekt je jev, kdy neopticky aktivní materiál rotuje polarizačním směrem světla procházejícího materiálem působením magnetického pole. Polarizované světlo přenášené ve směru magnetického pole má úhel otáčení θ směru polarizace, který je úměrný součinu síly magnetického pole B a délky L materiálu.
Pro dopad signálového světla ve směru dopředu se po průchodu polarizátorem stává lineárně polarizovaným světlem. Spolu s vnějším magnetickým polem, Faradayovo gyromagnetické médium otáčí polarizační směr signálního světla o 45 stupňů vpravo a dělá nízké ztráty projít a polarizátor 45 stupňů. Pro zpětné světlo, když lineárně polarizované světlo vystupující z analyzátoru prochází umisťovacím médiem, směr průhybu se také otáčí o 45 stupňů doprava, takže směr polarizace zpětného světla je kolmý ke směru polarizátoru a zcela blokuje přenos odraženého světla.
Čtěte také: Průvodce kročejovou izolací
Faradayovo magnetické médium obvykle používá yttrium železa granát (YIG) jeden krystal s nízkou optickou ztrátou v rozsahu vlnových délkách 1μm ~ 2μm. Optický izolátor nového pigtail vstupu a výstupu má poměrně dobrý výkon, nejnižší ztráta vložení je asi 0,5 dB, izolace je 35 ~ 60dB a nejvyšší může dosáhnout 70dB.
Úloha Optického Izolátoru
Jeho funkcí je zabránit nepříznivým účinkům zpětně vysílaného světla na optickou dráhu z různých důvodů na zdroj světla a optický systém dráhy.
- Instalace optického izolátoru mezi polovodičovým laserovým zdrojem a optickým přenosovým systémem může výrazně snížit nepříznivé účinky odraženého světla na stabilitu spektrálního výstupního výkonu světelného zdroje.
- Ve vysokorychlostní přímé modulaci a komunikačním systému s přímou detekcí optických vláken zpětné světlo vytváří další šum, což snižuje výkon systému. To také vyžaduje optický izolátor k odstranění.
- Instalace optických izolátorů na obou koncích dopovaného vlákna v zesilovači vláken může zlepšit pracovní stabilitu zesilovače vláken.
- V koherentním optickém komunikačním systému pro dálkové optické vlákno je v intervalech instalován optický izolátor, který snižuje ztrátu výkonu způsobenou stimulovaným rozptylem Brillouinu.
Optické izolátory proto hrají důležitou roli v komunikaci optických vláken, optických systémech zpracování informací, optickém snímání vláken a přesných optických měřicích systémech.
Vlastnosti Optického Izolátoru
Vlastnosti optického izolátoru jsou:
- Vysoká izolace.
- Nízká ztráta vložení (referenční hodnota: 0,4 dB).
- Vysoká spolehlivost a stabilita.
- Extrémně nízká polarizační ztráta a rozptyl polarizačního režimu.
- Minimální izolace (referenční hodnota: 40 dB).
Typy Optických Izolátorů
Existuje mnoho typů optických izolátorů, včetně in-line optických izolátorů, optických izolátorů volného prostoru atd. Vnitřní konstrukce optického izolátoru nezávislého na polarizaci 1310/1480/1550nm zachází se dvěma ortogonálními polarizačními stavy v jednovláknovém vlákně odděleně, aby byla zajištěna charakteristika celého zařízení nezávislá na polarizaci. Unipolární zařízení mají nízkou ztrátu vložení a dvoustupňová zařízení mají extrémně vysokou optickou izolaci. Jsou vhodné pro různé aplikace.
Optické Vazební Členy (Couplery) v Optických Sítích
V systémech optických sítí je potřeba propojovat, větvit a distribuovat optické signály, k čemuž slouží optické vazební členy (couplery). Jsou to pasivní optická zařízení, která rozdělují, kombinují a distribuují optické signály. Jsou nepostradatelnými optickými součástmi v multiplexování s dělením vlnových délek, optických místních sítích, optických kabelových televizních sítích a některých měřicích přístrojích.
Typy Optických Couplerů
Lze je rozdělit na dva druhy:
- Typ s taveným kuželem: Vyrábí se bočním svařováním dvou nebo více optických vláken.
- Typ planárního vlnovodu.
Tyto dva typy principů optického dělení jsou podobné, mění zhášecí pole mezi vazbou optického vlákna (stupeň vazby, délka vazby) a mění poloměr optického vlákna, aby se dosáhlo různých velikostí množství větví. A naopak, můžete také kombinovat více optických signálů do jednoho signálu zvaného syntezátor.
Oblast kužele se ztuhne na křemenném substrátu tuhnoucím lepidlem a vloží se do nerezové měděné trubice, která je optickým rozdělovačem. Tento výrobní proces je v rozporu s koeficientem tepelné roztažnosti ztuhlého lepidla a křemenného substrátu a trubky z nerezové oceli a stupeň tepelné roztažnosti a kontrakce je nekonzistentní, když se mění okolní teplota, což může snadno způsobit poškození optického rozdělovače, zejména při umístění optického splitteru v terénu, což je také hlavní důvod poškození optického splitteru.
Důležité Parametry Optických Couplerů
- Ztráta vložení: Poměr optického výkonu na konkrétním portu na vstupním konci k optickému výkonu na jiném portu na výstupním konci poté, co světlo projde zařízením. Představuje stav výstupního výkonu každého výstupního portu a zahrnuje vlastní ztrátový faktor a vliv spektrálního poměru.
- Dodatečná ztráta: Definována jako celkový optický výkon všech výstupních portů vzhledem k počtu DB ztráty vstupního optického výkonu. Je to ukazatel kvality výrobního procesu zařízení, který odráží inherentní ztrátu výrobního procesu zařízení, čím menší ztráta, tím lépe.
- Dělicí poměr (Spektrální poměr): Procento, které udává poměr optického výkonu z jednoho portu k celkovému optickému výkonu ze všech portů. Odráží podíl distribuce energie na výstupních portech. V systémových aplikacích je spektrální poměr skutečně určen podle množství optického výkonu požadovaného skutečným optickým uzlem systému (kromě průměrné distribuce). Spektrální poměr optického rozdělovače souvisí s vlnovou délkou procházejícího světla.
- Izolace: Schopnost určité optické cesty optického splitteru izolovat optické signály v jiných optických cestách. Znamená to, že výstupní výkon na požadovaném výstupním portu je mnohem větší než na nežádoucích výstupních portech.
Tabulka níže shrnuje klíčové vlastnosti a parametry optických vazebních členů a izolátorů.
| Vlastnost/Parametr | Optický Vazební Člen (Optocoupler) | Optický Vazební Člen (Coupler) | Optický Izolátor |
|---|---|---|---|
| Hlavní funkce | Elektrická izolace, přenos signálu (elektrické na světlo a zpět) | Dělení, kombinování a distribuce optických signálů | Jednosměrný průchod světla, blokování zpětného světla |
| Princip | LED a fotodetektor, elektro-opticko-elektrická konverze | Tavený kužel, planární vlnovod, změna zhášecího pole | Faradayův efekt, magnetooprický krystal, rotace polarizace |
| Typická izolace | 3 kV - 10 kV (elektrická) | Schopnost izolovat optické signály mezi cestami | 35 - 60 dB, až 70 dB (optická) |
| Ztráta vložení | Měřeno jako CTR (Current Transfer Ratio) | Ztráta optického výkonu (dB) | 0,4 - 0,6 dB |
| Další parametry | CTR, doba náběhu/poklesu, izolační kapacita, izolační odpor | Dodatečná ztráta, dělicí poměr, spektrální poměr | Polarizační ztráta, rozptyl polarizačního režimu, zpětný útlum |
| Aplikace | Průmyslová automatizace, spotřební elektronika, lékařská zařízení, regulace napětí | Optické sítě, WDM, CATV, měřicí přístroje | Ochrana laserů, zesilovačů vláken, koherentní komunikace |
Tempo vývoje v oblasti optických technologií je vysoké. Kdo to přehlíží dnes, může být za tři roky za křivkou.
tags: #opticky #vazebni #clen #izolace #co #je