Оптикапс — оптический компонент электроники¶

Оптикапс (от англ. optocoupler, также оптрон, оптопара) — электронный компонент, предназначенный для передачи электрического сигнала между двумя изолированными друг от друга частями электрической цепи посредством оптического излучения. Устройство объединяет в одном корпусе источник света (обычно светодиод) и фотоприёмник (фотодиод, фототранзистор, фототиристор или фоторезистор), между которыми отсутствует электрическая связь. Основное назначение оптикапса — гальваническая развязка цепей, то есть передача сигнала без прямого электрического контакта между входом и выходом.

¶Принцип работы

Входной электрический сигнал подаётся на светоизлучающий элемент, чаще всего инфракрасный светодиод. Излучение попадает на фотоприёмник, который преобразует его обратно в электрический сигнал. Поскольку связь между входом и выходом осуществляется через световой поток, а не через проводник, между двумя цепями возникает электрическая изоляция. Величина напряжения пробоя такой развязки у типовых изделий составляет от 1,5 до 5 кВ и выше.

Ключевые параметры оптикапса:

• Коэффициент передачи по току (CTR) — отношение выходного тока к входному, выражается в процентах; у разных типов варьируется от единиц до сотен процентов.
• Напряжение изоляции — максимальное напряжение между входной и выходной цепями.
• Быстродействие — время нарастания и спада сигнала; для логических оптопар измеряется в наносекундах, для силовых — в микросекундах.
• Сопротивление изоляции — обычно превышает 10¹¹ Ом.

¶История

Оптроны появились в 1960-х годах, когда стали доступны дешёвые светодиоды и кремниевые фотоприёмники. Первые промышленные образцы выпустили компании, работавшие в области полупроводниковой электроники. В 1970-х годах оптопары стали массовым компонентом благодаря развитию импульсных источников питания и необходимости развязки силовой и управляющей частей схемы. Дальнейшее развитие привело к появлению быстродействующих логических оптопар, силовых оптотиристоров и оптореле.

¶Классификация

По типу фотоприёмника различают:

• Резисторные оптопары — на основе фоторезистора; применяются редко из-за низкого быстродействия.
• Диодные — фотодиод на выходе; отличаются высоким быстродействием.
• Транзисторные — наиболее распространённый тип; фотоприёмник — фототранзистор.
• Тиристорные и симисторные — для коммутации силовых цепей переменного тока.
• Логические — с выходным каскадом, формирующим совместимые с логикой уровни.

По конструкции различают оптопары с открытым оптическим каналом (для датчиков) и с закрытым каналом внутри непрозрачного корпуса (для развязки). Существуют также оптопары с управляющим входом, позволяющие включать и выключать передачу.

¶Применение

Оптикапсы применяются в следующих областях:

1. Гальваническая развязка в импульсных блоках питания — разделение силовой и управляющей частей.
2. Согласование цепей с разными уровнями напряжения.
3. Интерфейсы связи — например, в промышленных сетях и в устройствах с гальванически изолированными портами.
4. Коммутация силовых нагрузок — оптореле и твердотельные реле на основе оптопар.
5. Датчики — прерыватели луча, датчики положения, энкодеры.
6. Медицинская техника — обеспечение безопасности пациента при контакте с электронными приборами.

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам оптикапсов относят полную гальваническую развязку, отсутствие механических контактов, высокое быстродействие, устойчивость к вибрациям и ударам, широкий диапазон рабочих температур, а также возможность передачи сигнала как постоянного, так и переменного тока.

Ограничения связаны с деградацией светодиода со временем (снижение CTR), температурной зависимостью параметров, относительно невысокой мощностью передачи и необходимостью внешнего питания для выходного каскада в некоторых типах. Кроме того, оптопары чувствительны к радиационному излучению, что ограничивает их применение в космической и ядерной технике без специальных исполнений.

¶Современное состояние

С развитием цифровой изоляции на основе ёмкостных и магнитных (трансформаторных) барьеров оптопары частично вытесняются в высокоскоростных интерфейсах. Однако в силовой электронике, промышленной автоматике и бытовой технике они остаются массовым и экономичным решением. Выпускаются интегральные оптопары с встроенными драйверами, защитой и диагностикой, а также многоканальные изоляторы на одном кристалле.