Что такое в телевизоре оптопара

Содержание

Конструкция оптрона подразумевает наличие специального светового излучателя (в современных устройствах для этого применяются световые диоды, прежние модели оснащались малогабаритными лампами накаливания) и устройства, отвечающего за преобразование полученного оптического сигнала (фотоприёмника). Обе эти составляющие объединяются при помощи оптического канала и общего корпуса.

Существует несколько характеристик, в соответствии с которыми можно разделить модели оптопар на несколько групп. В зависимости от степени интеграции:

элементарный оптрон – включает в себя 2 и более элемента объединённых общим корпусом;
оптронная интегральная схема – конструкция состоит из одной и более оптопар и, помимо этого, ещё может быть оснащена дополняющими элементами (например, усилителем).

В зависимости от разновидности оптического канала:

Оптический канал открытого типа;
Оптический канал закрытого типа.

В зависимости от типа фотоприёмника:

Урок №49. Оптрон (Оптопара)

Фоторезисторные (или просто резисторные оптопары);
Фотодиодные оптопары;
Фототранзисторные (используется обычный или составной биполярный фототранзистор) оптопары;
Фототиристорные, либо фотосимисторные оптопары;
Оптопары функционирующие с помощью фотогальванического генератора;
Солнечная батарейка.

Оптопарой (иначе – оптроном) называют электронные приборы предназначенные для преобразования электрических сигналов в световые, их передачи через оптические каналы и повторного преобразования сигнала вновь в электрический.

Конструкция устройств последнего вида зачастую дополняются полевыми транзисторами, за управление затвором которого отвечает тот же генератор. Фотосимисторные оптроны или те, которые оснащены полевыми транзисторами, могут называться «оптореле», либо «твердотельное реле».

Схема подключения открытой оптопары

Описание устройства

Излучатель – бескорпусный светодиод, – как правило, помещают в верхней части металлического корпуса, а в нижней – на кристаллодержателе – укрепляют кристалл кремниевого фотоприемника, например фототиристора. Все пространство между светодиодом и фототиристором заливают твердеющей прозрачной массой. Эту заливку покрывают отражающим внутрь световые лучи слоем, который препятствует рассеиванию света за пределы рабочей зоны. Мало отличается от описанной конструкция резисторного оптрона.

Здесь в верхней части металлического корпуса укреплена сверхминиатюрная лампа накаливания, а в нижней – фоторезистор на основе селенистого кадмия. Фоторезистор изготавливают отдельно, на тонкой подложке из ситалла. На нее напыляют пленку из полупроводникового материала – селенида кадмия, а затем – формообразующие электроды из токопроводящего материала (например алюминия).

К электродам приваривают выходные выводы. Жесткое соединение лампы и подложки между собой обеспечивается затвердевшей прозрачной массой. Отверстия в корпусе для выводов оптрона залиты стеклом. Герметичное соединение крышки и основания корпуса обеспечено сваркой.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристорного оптрона примерно такая же, что и у одиночного тиристора. При отсутствии входного тока (I=0 – темновая характеристика) фототиристор может включиться только при очень высоком значении приложенного к нему прямого напряжения (800…1000 В). Так как практически приложение столь большого напряжения недопустимо, то эта кривая имеет чисто теоретический смысл.

Если приложить к фототиристору прямое рабочее напряжение (от 50 до 400 В, в зависимости от типа оптрона), включение прибора возможно только при подаче входного тока, который теперь является управляющим. Скорость включения оптрона зависит от значения входного тока. Типичные значения времени включения t=5…10 мкс. Время выключения оптрона связано с процессом рассасывания неосновных носителей тока в переходах фототиристора и зависит только от значения протекающего выходного тока. Реальное значение времени выключения находится в пределах 10…50 мкс.

Максимальный и рабочий выходной ток фоторезисторного оптрона резко уменьшается при увеличении температуры окружающей среды выше 40 градусов по цельсия. Выходное сопротивление этого оптрона до значения входного тока 4 мА остается постоянным, а при дальнейшем увеличении входного тока (когда яркость свечения лампы накаливания начинает возрастать) резко уменьшается. Кроме описанных выше, существуют оптроны с так называемым открытым оптическим каналом. Здесь осветителем служит светодиод инфракрасного излучения, а фотоприемником могут быть фоторезистор, фотодиод или фототранзистор.

Отличие этого оптрона в том, что его излучение выходит наружу, отражается от какого-либо внешнего предмета и возвращается в оптрон, к фотоприемнику. В таком оптроне выходным током может управлять не только входной ток, но также изменение положения внешней отражающей поверхности. У оптронов с открытым оптическим каналом оптические оси излучателя и приемника расположены либо параллельно, либо под небольшим углом. Существует конструкции подобных оптронов с соосным расположением оптических осей. Такие приборы называют оптопрерывателями.

Структура и характеристики.

В оптопарах применяются фотоприемники, чувствительные в ближней инфракрасной и видимой областях, поскольку именно для данной части спектра характерны источники интенсивного излучения, могущие работать в качестве фотоприемников без охлаждения. Фотоприемники с р-n-переходами (диоды и транзисторы) на основе кремния универсальны, область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи 0,8 мкм.

Оптопара характеризуется в первую очередь коэффициентом передачи по току CTR, то есть отношением токов входного и выходного сигналов. Следующий параметр — скорость передачи сигнала, по сути – граничная частота fc работы оптопары, связанная с временами фронта tr и среза tf для передаваемых импульсов. Наконец, параметры, характеризующие оптопару с точки зрения гальванической развязки: сопротивление развязки Riso, максимальное напряжение Viso и проходная емкость Cf.

В оптронах с управляемым оптическим каналом имеется дополнительное устройство управления, через которое можно с помощью электрических или магнитных средств влиять на свойства оптической среды. На стороне фотоприемника сигнал восстанавливается, с высоким быстродействием преобразуясь из оптического в электрический. Выходное устройство на стороне фотоприемника (например включенный в схему фототранзистор) призван преобразовать сигнал в стандартную электрическую форму, удобную для дальнейшей обработки в следующих за оптроном блоках. Оптопара зачастую не содержит входных и выходных устройств, поэтому ей требуются внешние цепи для создания нормального режима работы в схеме того или иного прибора.

Еще по теме: Зависает стс на телевизоре

Типы и разновидности

Оптоэлектронные устройства работают по-разному в зависимости от того, к какому из двух видов направлений они относятся:

Электронно-оптическое.

Работа прибора базируется на принципе, в соответствии с которым происходит преобразование световой энергии в электрическую. Причём, переход осуществляется посредством твёрдого тела и происходящих в нём процессов внутреннего фотоэлектрического эффекта (выражающегося в испускании веществом электронов под воздействием фотонов) и эффекта свечения под действием электрического поля.

Прибор функционирует благодаря тонкому взаимодействию твёрдого тела и электромагнитного излучения, а также используя лазерные, голографические и фотохимические устройства.

Фотонные электронно-вычислительные машины компонуются с использованием одной из двух категорий оптических элементов:

Оптронов;
Кванто-оптических элементов.

Они являются моделями устройств соответственно электронно-оптического и оптического направлений.

Будет ли оптрон передавать сигнал линейно, определяется теми характеристиками, которыми обладает вмонтированный в конструкцию фотоприёмник. Наибольшую линейность передачи можно ожидать от резисторных оптронов. Как следствие, процесс эксплуатации подобных устройств отличается наибольшим удобством.

Ступенью ниже стоят модели с фотодиодами и одиночными биполярными транзисторами. Для обеспечения работы импульсных приборов применяют оптроны на биполярных, либо полевых транзисторах, поскольку там нет необходимости в линейной передаче сигнала. Наконец, фототиристорные оптроны монтируют, чтобы обеспечить гальваническую изоляцию и безопасность эксплуатации устройства.

Сфера применения устройства

Используются они в самых различных сферах:

В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок.
Другая важнейшая область применения оптронов – оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами. Импульсные блоки питания.
Создание “длинных” оптронов (приборов с протяженным гибким волоконно-оптическим световодом) открыло совершенно новое направление применения изделий оптронной техники – связь на коротких расстояниях.
Различные оптроны находят применение и в радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и других.
Воздействие по оптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима.
Возможность изменения свойств оптического канала при различных внешних воздействиях на него позволяет создать целую серию оптронных датчиков: таковы датчики влажности и загазованности, датчика наличия в объеме той или иной жидкости, датчики чистоты обработки поверхности предмета, скорости его перемещения.
Универсальность оптронов как элементов гальванической развязки и бесконтактного управления, разнообразие и уникальность многих других функций являются причиной того, что сферами применения optocoupler стали вычислительная техника, автоматика, связная и радиотехническая аппаратура, автоматизированные системы управления, измерительная техника, системы контроля и регулирования, медицинская электроника, устройства визуального отображения информации.

возможность обеспечения гальванической развязки между входом и выходом;
для оптронов не существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости;
возможность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей;
однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;
широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот;
возможность передачи по оптронной цепи, как импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;
возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации;
возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении изменяются по сложному заданному закону;
невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а также исключает взаимные наводки;
физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и радиоэлектронными приборами.

значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии (электричество – свет – электричество) и невысокими КПД этих переходов;
повышенная чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей радиации;
временная деградация параметров optocoupler;
относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный, как и два предыдущих недостатка, особенностями физики светодиодов;
сложность реализации обратных связей, вызванная электрической разобщенностью входной и выходной цепей;
конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии, с необходимостью объединения в одном приборе нескольких – отдельных кристаллов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях.

Принцип работы оптрона не сложный: когда через встроенный светодиод пропускаем электрический ток, светодиод начинает светиться, свет попадает на встроенный фототранзистор и открывает его. Получается когда ток протекает через входной диод, то и выходной транзистор открыт. Ну и противоположный случай, когда ток через входной диод не протекает, то и выходной транзистор закрыт. Ну и изюмика оптических приборов, в том что с помощью них можно гальванически развязать развязать части электрической схемы.

Источник: dzen.ru

Оптопара принцип работы, оптроны принцип работы

В практическом применении наибольшего распространения нашли оптроны (в последнее время приобрели название оптопары), в которых нет электрических связей между приемником и излучателем, а есть только оптическая связь. По сложности составляющих структурных схем в оптронных изделиях различают 2 группы приборов:

Оптопара – полупроводниковый оптическо-электронный прибор, в котором оптическая связь обеспечивает изоляцию входа и выхода излучающего и принимающего элементов.
Электронно-оптическая микросхема, которая состоит из определенного количества оптопар и так называемых усилителей, которые имеют электрическое соединение с элементами оптронов.

Общий вид оптопары в герметичном корпусе

Принцип работы оптопары

Основное предназначение оптопары заключается в развязке сигнальных цепей гальваническим методом. Принцип действия оптопары для всех видов фотоприемников и излучательных элементов практически одинаковый и состоит в следующем: формируемый электрический сигнал на входе в излучатель, трансформируется в поток света, который далее принимается фотоэлементом и меняет проводимость последнего – меняя его сопротивление. Другими словами принцип действия оптрона заключается в двойном трансформировании энергии.

Еще по теме: Как узнать поддерживает ли телевизор mhl

Как работают оптронные устройства

Рассмотрим работу двух видов оптронных устройств: оптическо-электронное и оптическое. Работа оптическо-электронного аппарата основывается на превращении энергии света в электрическую. Переход энергии происходит при помощи твердого тела и процессов электрических фотоэффектов и сияния («горения», «свечения») при воздействии электрического поля. Эффект фотоэлектричества означает, что твердое тело может излучать электроны под действием фотонов. Функционирование оптического устройства происходит при тесном взаимодействии электромагнитного испускания и твердого тела.

Схемы работы оптопар

Применение оптопар (оптронов) позволяет решать множество задач, в частности контроль значений параметров от различных датчиков – уровень, влажность, концентрация и т.д); использование в устройствах автоматики и релейных защит электрооборудования; в диагностических аппаратах. В тех или иных случаях схемы включения оптопар отличны друг от друга. В качестве примера приведем несколько линейных схем: Линейная развязка аналогового сигнала с помощью оптронов

Передача аналоговых сигналов осуществляется по развязанной гальванически цепи с использованием двух одинаковых оптронов, один из которых предназначен осуществляет обратную связь. Развязка между блоков

Часто применяется в радиотехнике. Выходной сигнал Блока 1 подается на Блок 2 посредством оптопары-диода. В случае использования в Блоке 2 микросхемы с небольшим током на входе, то усилитель не требуется и оптопара-диод работает в фотогенерирующем режиме. Реле оптоэлектронное

Сигналы от фотоприемника оптопары удобно и практично использовать на воздействие исполнительных механизмов опять же через гальваническую развязку (к примеру: включение света, электродвигателе и другого оборудования). На рисунке 4 изображена схема полупроводникового разомкнутого реле. Коммутация тока происходит в реле. Транзистор оптопары принимает фотосигнал и открывает VT1, VT2 транзисторы, далее включается нагрузка.

Устройство оптронов

В качестве излучателя используется светодиод, который размещается сверху в металлическом корпусе. В нижней части расположен фотоприемник (кремниевый кристалл). Свободное пространство заполняется затвердевающей массой, которая полностью прозрачна. Последняя покрыта отражателем для направления лучей, чтобы не рассеивались лучи за пределы зоны приемника.

Как правило, вывода оптронов заливаются жидким стеклом. Верхняя и нижняя часть крышки корпуса соединяются при помощи сварки. Оптрон-резистор практически не отличается от вышеописанной конструкции. В нем используется в качестве излучателя лампа накала, а приемник выполнен из кадмия селенистого.

Применение оптопар

На сегодняшнее время оптопары очень хорошо изучены и широко распространены в различных сферах деятельности. Особое место применения оптронов в схемах для логического согласования различных блоков, которые содержат элементы с исполнительными органами. Как уже было сказано, ранее оптроны применяются для гальванической развязки в цепях с отличными блоками, преобразования и модуляции импульсов для управления аппаратами, контроля и управления, сигнализации и защиты электрического оборудования и процессов (счетчики, коммутаторы, реле, электрические измерительные устройства).

Достоинства и недостатки оптопар

управление различного рода объектами осуществляется бесконтактно;
разнообразие и гибкость управления;
абсолютная невосприимчивость и независимость от посторонних электромагнитных волн, что не создает дополнительных помех в работе;
возможность использования, как импульса, так и постоянного сигнала;
возможность изменения выходного сигнала за счет воздействия на вещество оптоканала (из этого следует возможность использования датчиков различных типов);
конструктивная и физическая совместимость с иными электронными и полупроводниковыми аппаратами и приборами;
с точки зрения пропускания оптопары, то в низких частотах нет ограничений.

К недостаткам оптронов относятся:

достаточно на высоком уровне потребляемая мощность, вызванная двойной трансформацией энергии (электрический ток – световой поток – электрический ток;
сравнительно невысокий КПД переходных процессов;
снижение качества параметров в процессе длительного времени;
высокий уровень шумовых характеристик;
достаточно сложно реализовать обратную связь из-за разностью выходных и входных схем.

Источник: principraboty.ru

Что такое оптрон, как работает, основные характеристики и где применяется

Пара «оптический излучатель – оптический приёмник» давно применяется в электронике и электротехнике. Электронный компонент, в котором приёмник и передатчик расположены в одном корпусе и между ними имеется связь по оптическому каналу, называется оптроном или оптопарой.

Внешний вид оптрона.

Устройство оптрона

Оптрон состоит из оптического передатчика (излучателя), оптического канала и приёмника оптического сигнала. Фотопередатчик преобразовывает электрический сигнал в оптический. Передатчиком в большинстве случаев служит светодиод (в ранних моделях применялись лампы накаливания или неоновые лампочки). Применение LED непринципиально, но они долговечнее и надежнее.

Оптический сигнал передаётся по оптическому каналу к приёмнику. Канал бывает закрытым – когда излучённый передатчиком свет не выходит за пределы корпуса оптрона. Тогда сигнал, сформированный приёмником, синхронизирован с сигналом на входе передатчика. Такие каналы бывают воздушными или заполненными специальным оптическим компаундом. Также есть «длинные» оптроны, каналом в которых служит оптоволокно.

Схема оптрона - излучатель и приёмник.

Если оптрон сконструирован так, что генерируемое излучение, перед тем как попасть на приёмник, покидает пределы корпуса, такой канал называется открытым. С его помощью можно регистрировать препятствия, возникающие на пути светового луча.

Препятствие между излучателем и приёмником.

Фотоприёмник производит обратное преобразование оптического сигнала в электрический. В качестве приёмника чаще всего применяются:

Фотодиоды. Обычно применяются в цифровых линиях связи. Линейный участок у них невелик.
Фоторезисторы. Их особенность – двусторонняя проводимость приёмника. Ток через резистор может идти в любом направлении.
Фототранзисторы. Особенностью таких приборов является возможность управления током транзистора как посредством оптопередатчика, так и по выходной цепи. Используются как в линейном, так и в цифровом режиме. Отдельный тип оптронов – с параллельно-встречно включенными полевыми транзисторами. Такие устройства называются твердотельными реле .
Фототиристоры. Такие оптроны отличаются повышенной мощностью выходных цепей и скоростью их переключения, подобные устройства удобно применять в управлении элементами силовой электроники. Эти устройства также относятся к категории твердотельных реле.

УГО оптопар.

Распространение получили оптронные микросхемы – сборки оптронов с обвязкой в одном корпусе. Такие оптроны используют, как переключающие устройства и в других целях.

Еще по теме: Разъем rj45 для чего в телевизоре

Достоинства и недостатки

Первое достоинство, которое отмечают у оптических приборов, это отсутствие механических частей. Это значит, что при работе не возникает трения, износа, искрения контактов, как у электромеханических реле. В отличие от других устройств для гальванической развязки сигналов (трансформаторов и т.п.) оптроны могут работать с очень низкими частотами, включая постоянный ток.

Кроме того, плюсом оптических развязок является очень низкая емкостная и индуктивная связь между входом и выходом. За счёт этого снижается вероятность передачи импульсных и высокочастотных помех. Отсутствие механической и электрической связи между входом и выходом обеспечивает возможность разнообразных технических решений по созданию схем бесконтактного управления и коммутации.

Несмотря на ограничение в реальных конструкциях по напряжению и по току для входа и выхода, в теории не существует принципиальных препятствий для увеличения этих характеристик. Это позволяет создавать оптроны практически под любые задачи.

К минусам оптронов относят одностороннюю передачу сигналов – нельзя передать оптический сигнал от фотоприёмника обратно к передатчику. Это затрудняет организацию обратной связи соответствия реакции приемной цепи на сигнал передатчика.

На реакцию приёмной части можно влиять не только изменением излучения передатчика, но и воздействием на состояние канала (появлением сторонних предметов, изменением оптических свойств среды канала и т.д.). Такое воздействие может быть и неэлектрического характера. Это расширяет возможности использования оптронов. А нечувствительность к внешним электромагнитным полям позволяет создавать каналы передачи данных с высокой помехозащищенностью.

К основному недостатку оптронов относят низкую энергетическую эффективность, связанную с потерями сигнала при двойном преобразовании сигнала. Также минусом считается высокий собственный уровень шумов. Это уменьшает чувствительность оптронов и ограничивает область их применения там, где нужна работа со слабыми сигналами.

При использовании оптронов надо учитывать и влияние температуры на их параметры – оно значительно. Кроме того, к минусам оптопар относят заметную деградацию элементов в процессе эксплуатации и определенную нетехнологичность в производстве, связанную с использованием в одном корпусе различных полупроводниковых материалов.

Характеристики оптронов

Параметры оптронов делятся на две категории:

характеризующие свойства прибора передавать сигнал;
характеризующие развязку между входом и выходом.

К первой категории относится коэффициент передачи тока. Он зависит от излучающей способности светодиода, чувствительности приёмника и свойств оптического канала. Этот коэффициент равен отношению выходного тока к входному и для большинства типов оптронов составляет 0,005…0,2. У транзисторных элементов коэффициент передачи может достигать 1.

Если рассматривать оптрон, как четырехполюсник, то его входная характеристика полностью определяется ВАХ оптоизлучателя (светодиода), а выходная – характеристикой приёмника. Проходная же характеристика в целом нелинейна, но некоторые типы оптронов имеют линейные участки. Так, хорошую линейность имеет часть ВАХ диодного оптрона, но этот участок не очень велик.

Резисторные элементы оценивают ещё по отношению темнового сопротивления (при входном токе, равном нулю) к световому. Для тиристорных оптронов важной характеристикой является минимальный ток удержания в открытом состоянии. К значимым параметрам оптрона также относят наибольшую рабочую частоту.

Качество гальванической развязки характеризуют:

наибольшее напряжение, прикладываемое ко входу и к выходу;
наибольшее напряжение между входом и выходом;
сопротивление изоляции между входом и выходом;
проходная ёмкость.

Последний параметр характеризует способность электрического высокочастотного сигнала просачиваться с входа на выход, минуя оптический канал, через ёмкость между электродами.

Существуют параметры, позволяющие определить возможности входной цепи:

наибольшее напряжение, которое можно приложить к входным выводам;
наибольший ток, который может выдержать светодиод;
падение напряжения на светодиоде при номинальном токе;
обратное входное напряжение – напряжение обратной полярности, которое может выдержать светодиод.

Для выходной цепи такими характеристиками будут наибольшие допустимые ток и напряжение выхода, а также ток утечки при нулевом входном токе.

Область применения оптронов

Оптроны с закрытым каналом применяются там, где по каким-либо соображениям (электрическая безопасность и т.п.) требуется развязка между источником сигнала и принимающей стороной. Например, в цепях обратной связи импульсных источников питания – сигнал берётся с выхода БП, подается на излучающий элемент, яркость свечения которого зависит от уровня напряжения. С приёмника снимается сигнал, зависящий от выходного напряжения, и подается на регулятор ШИМ.

Принципиальная схема блока питания.

Фрагмент схемы компьютерного БП с двумя оптронами приведен на рисунке. Верхний оптрон IC2 создает обратную связь, стабилизирующую напряжение. Нижний IC3 работает в дискретном режиме и подает питание на микросхему ШИМ при наличии дежурного напряжения.

Гальванической развязки между источником и приёмником также требуют некоторые стандартные электрические интерфейсы.

Приборы с открытым каналом применяют для создания датчиков обнаружения каких-либо предметов (наличие бумаги в принтере), концевых выключателей, счётчиков (предметов на конвейере, числа зубцов шестерёнки в манипуляторах «мышь») и т.п.

Твердотельные реле применяются там же, где и обычные реле – для коммутации сигналов. Но их распространение сдерживает высокое сопротивление канала в открытом состоянии. Также их применяют в качестве драйверов для элементов силовой твердотельной электроники (мощных полевых или IGBT транзисторов).

Оптрон разработан более полувека назад, но его широкое применение началось после того, как светодиоды стали доступными и недорогими. Сейчас разрабатываются все новые модели оптопар (большей частью, микросхемы на их основе), и область их применения только расширяется.