Как работает транзисторная оптопара: Оптроны. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Оптроны. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Оптроны (оптопары) — электронные приборы, служащие для преобразования сигнала электрического тока в световой поток. Их световой сигнал передается через каналы оптики, а также происходит обратная передача и преобразование света в электрический сигнал.

Устройство оптрона состоит из излучателя света и преобразователя светового луча (фотоприемника). В качестве излучателя в современных приборах используют светодиоды. В старых моделях применялись маленькие лампочки накаливания. Две составные части оптопары объединены общим корпусом и оптическим каналом.

Существует несколько признаков, по которым можно классифицировать оптроны по группам. При разделении на классы оптронных изделий необходимо учитывать два фактора: тип фотоприемника и особенности общей конструкции прибора.

Первый признак классификации оптронов обуславливается тем, что у всех оптопар на входе расположен светодиод, поэтому возможности функционирования определяются свойствами устройства фотоприемника. Вторым признаком является исполнение конструкции, определяющее особенности использования оптрона.

Применяя такой смешанный принцип разделения, можно выделить три группы оптронных устройств:

• Элементарные оптопары.
• Оптоэлектронные микросхемы.
• Специальные оптопары.

Группы содержат в себе множество видов приборов. Для популярных оптопар применяются некоторые обозначения:

• Д – диодная.
• Т – транзисторная.
• R – резисторная.
• У – тиристорная.
• Т²– со сложным фототранзистором.
• ДТ – диодно-транзисторная.
• 2Д (2Т) – диодная дифференциальная, либо транзисторная.

Система свойств оптронных устройств основывается на системе свойств оптопар. Эта система создается из четырех групп свойств и режимов:

• Характеризует цепь входа оптопары.
• Характеризует выходные параметры.
• Объединяет степень действия излучателя на приемник света, и особенности прохода сигнала по оптопаре в качестве компонента связи.
• Объединяет свойства гальванической развязки.

Основными оптронными параметрами считаются свойства передачи и гальванической развязки. Важной величиной транзисторных и диодных оптронов считается коэффициент передачи тока.

Показателями гальванической развязки оптронов являются:

• Допустимое пиковое напряжение выхода и входа.
• Допустимое наибольшее напряжение выхода и входа.
• Сопротивление развязки.
• Проходная емкость.
• Допустимая наибольшая скорость изменения напряжения выхода и входа.

Первый параметр является наиболее важным. По нему определяют электрическую прочность оптрона, а также его способности применения в качестве гальванической развязки.

Эти параметры оптронов применимы и для интегральных микросхем на основе оптопар.

Обозначения оптопар на

схемах

 

Диодные оптопары

Оптроны на диодах (рис. а) больше других устройств показывают уровень развития оптронной технологии. По значению коэффициента передачи определяют полезное действие преобразования энергии в оптопаре. Величины временных значений свойств дают возможность определить наибольшие скорости передачи информации. Соединение с диодным оптроном усилителей позволяет создать эффективные устройства передачи информации.

Транзисторные оптроны

Эти приборы (рис. с) отличаются некоторыми свойствами от других видов оптопар. Одним из таких свойств является возможность оптического управления по цепи светодиода, и по основной электрической цепи. Цепь выхода может также действовать в режиме ключа и линейном режиме.

Принцип внутреннего усиления дает возможность получения больших величин коэффициента передачи тока. Поэтому дополнительные усилители не всегда нужны. Важным моментом является небольшая инерционность оптопары, что допускается для многих режимов. Фототранзисторы имеют выходные токи намного больше, чем фотодиоды. Поэтому они применяются для коммутации различных электрических цепей. Все это достигается простой технологией транзисторных оптронов.

Тиристорные оптроны

Такие оптопары (рис. b) имеют большую перспективу для коммутации мощных силовых цепей высокого напряжения: по мощности, нагрузке, скорости они более подходящие, чем Т² оптопары. Оптроны марки АОУ 103 служат для применения в качестве бесконтактных выключателей в разных электронных схемах: усилителях, управляющих цепях, источниках импульсов и т.д.

Резисторные оптроны

Такие устройства (рис. d) называют фоторезисторами. Они значительно различаются от других типов оптронов своими особенностями конструкции и технологией изготовления. Основным принципом работы фоторезистора является эффект фотопроводности, то есть, изменения величины сопротивления при воздействии светового потока.

Дифференциальные

Рассмотренные выше оптопары способны передавать цифровые данные по гальванической развязке цепи. Важной проблемой является передача аналогового сигнала при помощи оптронов, то есть, создание линейности свойств передачи «вход-выход». Только при наличии таких свойств оптопар можно передавать аналоговые данные по гальванической развязке цепи без цифрового вида и импульсной передачи.

Такая задача решается диодными оптопарами, имеющими качественные шумовые и частотные характеристики. Трудность в решении этой задачи заключается в узком интервале линейности передающей характеристики и линейности диодных оптопар. Такие приборы только начинают прогрессировать в развитии, но за ними большое будущее.

Оптронные микросхемы

Эти микросхемы являются наиболее популярными классами моделей оптронных устройств, благодаря конструктивной и электрической совместимости оптронных микросхем с простыми видами, а также намного большей функциональности. Широкое применение получили коммутационные оптронные микросхемы.

Специальные оптроны

Такие образцы имеют значительные отличия от стандартных моделей приборов. Они выполнены в виде оптопар с оптическим каналом открытого вида. В устройстве таких моделей между фотоприемником и излучателем находится воздушный промежуток. Поэтому, при размещении в нем механических препятствий можно управлять светом и сигналом выхода. Оптроны с открытым каналом оптики используются вместо оптических датчиков, которые фиксируют наличие предметов, их поверхность, поворот, перемещение и т.д.

Применение оптронных устройств

• Подобные устройства используются для передачи данных между устройствами, которые не соединены электрическими проводами.
• Также оптопары используются для отображения и получения информации в технике. Отдельно необходимо отметить оптронные датчики, служащие для контроля объектов и процессов, отличающихся по назначению и природе.
• Заметен прогресс оптронной функциональной микросхемотехники, которая ориентирована на решение различных задач по преобразованию и накоплению данных.
• Полезной эффективностью стала замена больших недолговечных устройств электромеханического типа приборами оптоэлектронного принципа действия.
• Иногда оптронные компоненты применяются в энергетике, хотя это довольно специфические решения.

Контроль электрических процессов

Мощность светового потока от светодиода и величина фототока, который образуется в линейных цепях фотоприемников, напрямую зависит от тока проводимости излучателя. Поэтому по бесконтактным оптическим каналам можно передать информацию о процессах в цепях электрического тока, связанных проводами с излучателем. Наиболее эффективным стало применение излучателей света оптопар в датчиках, электрических изменений в силовых цепях высокого напряжения. Точная информация об аналогичных изменениях имеет важность для своевременной защиты источников и потребителей электроэнергии от чрезмерных нагрузок.

Стабилизатор с контрольным оптроном

Оптроны эффективно работают в стабилизаторах высокого напряжения. В них они образуют оптические каналы обратных связей отрицательной величины. Стабилизатор, изображенный на схеме, является прибором последовательного вида. При этом элемент регулировки выполнен на биполярном транзисторе, а стабилитрон на основе кремния работает в качестве источника эталонного опорного напряжения. Компонентом сравнения является светодиод.

При возрастании выходного напряжения, повышается и проводимость светодиода. На транзистор оптрона оказывает действие фототранзистор, при этом стабилизирует напряжение на выходе.

Достоинства оптронов

• Бесконтактное управление объектами, гибкость и разнообразие видов управления.
• Устойчивость каналов связи к электромагнитным полям, что позволяет создать защиту от помех и взаимных наводок.
• Создание микроэлектронных устройств с приемниками света, свойства которых могут изменяться по определенным сложным законам.
• Увеличение перечня функций управления сигналом выхода оптронов с помощью воздействия на материал канала оптики, создание приборов и датчиков для передачи данных.

Недостатки оптронов

• Малый КПД, вследствие двойного преобразования энергии, большой расход электроэнергии.
• Значительная зависимость работы от температуры.
• Большой собственный шумовой уровень.
• Технология и конструкция недостаточно совершенны, так как применяется гибридная технология.

Такие отрицательные моменты оптронов постепенно устраняются по мере развития технологии схемотехники и создания материалов. Большая популярность оптронов вызвана, прежде всего, уникальными свойствами этих устройств.

Похожие темы:

• Твердотельные реле. Устройство и работа. Виды и особенности
• Свойства полупроводников. Устройство и работа. Применение
• Гальваническая развязка (Часть 1). Виды и работа
• Гальваническая развязка (Часть 2). Виды и задачи. Особенности
• IGBT транзисторы. Устройство и работа. Параметры и применение
• Программируемый логический контроллер. Типы и работа. Особенности
• Игнитроны. Устройство и работа. Плюсы и минусы. Особенности
• КМОП транзисторы. Работа и применение. Особенности

6.

2. Применение оптопар | Электротехника

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.

Как работает оптопара | ОРЕЛ

Необходимо защитить чувствительные низковольтные компоненты и изолировать цепи на печатной плате? Оптопара может сделать эту работу. Да будет свет! Это устройство позволяет передавать электрический сигнал между двумя изолированными цепями с двумя частями: светодиодом, излучающим инфракрасный свет, и светочувствительным устройством, обнаруживающим свет от светодиода. Обе эти части содержатся в традиционном черном ящике с парой контактов для подключения. На первый взгляд, оптопару легко спутать с интегральной схемой (ИС).

Эта симисторная оптопара выглядит как интегральная схема. (Источник изображения)

Как это работает

Сначала на оптопару подается ток, который заставляет инфракрасный светодиод излучать свет, пропорциональный току. Когда свет попадает на светочувствительное устройство, оно включается и начинает проводить ток, как любой обычный транзистор.

Как работает оптопара. (Источник изображения)

Фоточувствительное устройство по умолчанию обычно не подключено, чтобы обеспечить максимальную чувствительность к инфракрасному свету. Он также может быть подключен к земле с помощью внешнего резистора для более высокой степени контроля над чувствительностью переключения.

Оптопара эффективно изолирует выходную и входную цепи. (Источник изображения)

Это устройство в основном работает как переключатель, соединяя две изолированные цепи на вашей печатной плате. Когда ток перестает течь через светодиод, светочувствительное устройство также перестает проводить ток и выключается. Все это переключение происходит через пустоту из стекла, пластика или воздуха без каких-либо электрических частей между светодиодом или светочувствительным устройством. Все дело в свете.

Преимущества и типы

Если вы разрабатываете электронное устройство, которое будет восприимчиво к скачкам напряжения, ударам молнии, скачкам напряжения и т. д., вам понадобится способ защиты низковольтных устройств. При правильном использовании оптопара может эффективно:

• Удаление электрических помех из сигналов
• Изолировать низковольтные устройства от высоковольтных цепей
• Позволяет использовать небольшие цифровые сигналы для управления большими переменными напряжениями

Оптопары бывают четырех конфигураций. Каждая конфигурация использует один и тот же инфракрасный светодиод с другим светочувствительным устройством. К ним относятся:

Photo-Transistor и Photo-Darlington , которые обычно используются в цепях постоянного тока, и Photo-SCR и Photo-TRIAC , которые используются для управления цепями переменного тока.

Четыре типа оптопары. (Источник изображения)

Если вы любите приключения, вы даже можете сделать самодельную оптопару из некоторых запасных частей. Просто объедините светодиод и фототранзистор внутри отражающей пластиковой трубки.

Самодельная оптопара всего из трех простых деталей. (Источник изображения)

Типичные области применения

Оптопары

могут использоваться либо сами по себе в качестве коммутационного устройства, либо с другими электронными устройствами для обеспечения изоляции между цепями низкого и высокого напряжения. Обычно эти устройства используются для:

• Переключение ввода/вывода микропроцессора
• Регулятор мощности постоянного и переменного тока
• Защита оборудования связи
• Регулировка электропитания

В этих приложениях вы столкнетесь с различными конфигурациями. Некоторые примеры включают:

Оптотранзисторный переключатель постоянного тока

Эта конфигурация будет обнаруживать сигналы постоянного тока, а также позволяет управлять оборудованием с питанием от переменного тока. MOC3020 идеально подходит для управления сетевым подключением или подачи стробирующего импульса на другой фототриак с токоограничивающим резистором.

(Источник изображения)

Симисторная оптопара

Эта конфигурация позволит вам управлять нагрузками с питанием от переменного тока, такими как двигатели и лампы. Он также способен работать в обеих половинах цикла переменного тока с обнаружением пересечения нуля. Это позволяет нагрузке получать полную мощность без значительных скачков тока при переключении индуктивных нагрузок.

(Источник изображения)

Руководство по компоновке печатных плат

Перед добавлением оптопары в топологию печатной платы примите во внимание следующие три рекомендации:

• Держите соединения заземления оптопары отдельно

Стандартная оптопара имеет два контакта заземления: один для светодиода, а другой для фоточувствительного устройства. Соединение обоих этих заземлений вместе откроет вашу чувствительную схему для любого шума от внешнего заземления. Во избежание этого всегда создавайте две точки подключения: одну для внешних заземляющих контактов, а другую для входных заземляющих проводов.

• Выберите правильное значение токоограничивающего резистора

Выбор токоограничивающего резистора, работающего при минимальном значении оптопары, приведет к нестабильному поведению. Также можно выбрать резистор, обеспечивающий слишком большой ток, который приведет к срабатыванию светодиода. При выборе значения для вашего резистора обязательно найдите значение минимального прямого тока из диаграммы коэффициента передачи тока в техническом описании вашей оптопары. У Vishay есть отличное руководство о том, как читать техническое описание оптопары здесь.

• Знайте, какой тип оптопары вам нужен

Не все оптопары созданы одинаковыми, и вам необходимо выбрать правильный тип для вашего приложения. Например, Opto-Triac используется, если вам нужно управлять нагрузкой переменного тока. Опто-Дарлингтоны предназначены только для небольших входных токов. Если все, что вам нужно, это стандартная изоляция входа, то обычная оптопара PC817 справится с этой задачей. Эту статью от Nuts and Volts определенно стоит прочитать, чтобы понять типы и различия оптронов.

Библиотеки оптопар в EAGLE

Управляемые онлайн-библиотеки Autodesk EAGLE включают целую категорию оптопар для использования в вашем следующем проекте. Это лучше, чем создавать свои собственные пакеты и символы с нуля! Чтобы использовать эту библиотеку, убедитесь, что файл optocoupler.lbr активирован в панели управления Autodesk EAGLE, как показано ниже. Если это так, то у вас будет доступ ко всем этим устройствам в следующий раз, когда вам нужно будет добавить компонент.

Готовы приступить к изоляции цепей и защите низковольтных устройств? Загрузите Autodesk EAGLE бесплатно сегодня, чтобы начать использовать прилагаемые библиотеки оптопары!

Как работают оптопары.

Инженерное мышление

Узнайте об оптопарах. В этой статье мы рассмотрим, как они используются для управления цепями, как они работают, а также как разработать несколько простых схем оптронов, чтобы показать принцип работы.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть обучающее видео на YouTube.

Что такое оптопара?

Оптопары представляют собой встроенные электронные компоненты, которые выглядят примерно так.

Они также известны как оптоизоляторы, оптоизоляторы и фотопары. В этой версии у нас есть основной корпус с 4 контактами. Контакт 1 — анод, контакт 2 — катод, контакт 3 — коллектор, а контакт 4 — эмиттер.

У нас также есть небольшое круглое углубление в корпусе рядом с контактом 1, и мы используем его для идентификации различных контактов. На корпусе у нас тоже есть какой-то текст, это номер детали. Мы используем это, чтобы определить тип оптопары, а также найти спецификацию производителя.

Это устройство представляет собой твердотельное реле, которое соединяет между собой две отдельные цепи. Первая цепь подключена к контактам 1 и 2, вторая цепь подключена к контактам 3 и 4. Это позволяет схеме 1 управлять схемой 2. Мы также можем использовать ее для передачи сигнала, но две цепи электрически изолированы друг от друга. другой.

Почему это важно? Потому что скачки напряжения и помехи в одной цепи не разрушат и не нарушат работу другой цепи. Итак, наши схемы защищены. Они также позволят электронам течь только в одном направлении из-за полупроводниковых материалов внутри.

Таким образом, две цепи могут использовать разные напряжения и токи из-за разделения. Мы можем расширить возможности устройства, добавив другие компоненты, такие как транзистор, к выходу второй схемы. Это позволяет нам контролировать даже более высокие напряжения и токи и автоматизировать управление цепями.

Как это работает?

Существует несколько вариантов оптопар, но в этой статье мы будем придерживаться базовой версии фототранзистора. Когда мы смотрим на символ этой оптопары, мы видим, что слева есть символ светодиода, а справа символ очень похож на транзистор, потому что это модифицированная версия транзистора, известного как фототранзистор. Выводы называются коллектором и эмиттером, как у обычного транзистора, за исключением того, что у нас отсутствует базовый вывод.

В обычной транзисторной схеме есть основная цепь и цепь управления. Транзистор блокирует ток в главной цепи, поэтому свет не горит. Когда мы подаем небольшое напряжение на базовый контакт, это включит транзистор и позволит току течь в основной цепи, поэтому основной свет загорится.

Кстати, мы подробно рассмотрели, как работает транзистор в нашей предыдущей статье, нажмите ЗДЕСЬ.

Транзистор внутри оптопары работает несколько иначе. Он также блокирует ток в главной цепи, но действует как приемник. Когда свет, излучаемый светодиодом, попадает на транзистор, он включается и позволяет току течь в основной цепи.

Итак, когда цепь 1 замкнется, загорится светодиод. Это освещает луч света, который попадает на транзистор. Транзистор обнаруживает это и включается, позволяя току течь в цепи 2. Мы просто управляем этим, включая и выключая внутренний светодиод. Фототранзистор действует как изолятор, блокируя поток тока, если только он не подвергается воздействию света.

Светодиод и транзистор заключены в корпус, поэтому мы их не видим, но мы можем увидеть, как они работают с этими простыми схемами, которые мы создадим позже в этой статье.

Так как же светодиод включает транзистор? Внутри фототранзистора у нас есть разные слои полупроводниковых материалов. Есть тип N и тип P, которые склеены между собой. Тип N и тип P сделаны из кремния, но каждый из них был смешан с другими материалами для изменения их электрических свойств. Тип N был смешан с материалом, который дает ему много дополнительных, а также ненужных электронов. Они могут свободно перемещаться к другим атомам. Тип P был смешан с другим материалом, имеющим меньше электронов. Итак, здесь есть много пустого пространства, куда могут двигаться электроны.

Когда материалы соединяются вместе, возникает электрический барьер, препятствующий движению электронов. Однако, когда светодиод включен, он излучает другую частицу, известную как фотон. Фотографии попадают в материал P-типа и выбивают электроны через барьер в материал N-типа. Электроны на первом барьере теперь также смогут совершить прыжок, и таким образом возникнет ток. Как только светодиод выключается, фотоны перестают выбивать электроны через барьер, и ток во вторичной обмотке прекращается.

Итак, мы можем управлять вторичной цепью, просто используя луч света.

Это работает благодаря полупроводниковому материалу. В обычных проводах медь является проводником, а резина — изолятором. Электроны могут легко проходить через медь, но они не могут проходить через резиновый изолятор. Глядя на базовую модель металлического проводника, у нас есть ядро ​​в центре, окруженное рядом орбитальных оболочек, которые удерживают электроны. Каждая оболочка содержит максимальное количество электронов, и электрону требуется определенное количество энергии, чтобы быть принятым в каждую оболочку, те, которые находятся дальше всего от ядра, имеют наибольшую энергию.

Самая внешняя оболочка известна как валентная оболочка, проводник имеет от 1 до 3 электронов в своей валентной оболочке. Электроны удерживаются на месте ядром, но есть и другая оболочка, известная как зона проводимости. Если электрон может достичь этой зоны проводимости, то он может вырваться из атома и перейти к другим атомам.

У атома металла, например меди, валентная оболочка и зона проводимости перекрываются, поэтому электрон очень легко вырывается на свободу и переходит к другому атому. В изоляторе самая внешняя оболочка упакована, места для присоединения электрона практически нет. Ядро крепко держит электроны, а зона проводимости находится далеко, поэтому электроны не могут добраться до нее, чтобы убежать. Поэтому электричество не может проходить через этот материал. Однако полупроводник отличается от него: в его валентной оболочке слишком много электронов, чтобы быть проводником, поэтому он действует как изолятор. Но зона проводимости довольно близка, поэтому, если мы обеспечим электроны некоторой внешней энергией, некоторые электроны получат достаточно энергии, чтобы совершить прыжок в зону проводимости и стать свободными. Поэтому полупроводник может действовать как изолятор и как проводник.

Схема 1 Светодиод и LDR

Первая схема, которую мы рассмотрим, использует светочувствительный резистор и белый светодиод. LDR изменяет свое сопротивление в зависимости от количества света, которому он подвергается. В темноте у него очень высокое сопротивление, при ярком свете — очень низкое сопротивление.

Этот белый светодиод рассчитан на 20 мА, если я подключу его к источнику питания постоянного тока, мы увидим, что для достижения 20 мА требуется 3 В.

Когда я тестирую этот LDR, мы видим, что при тусклом свете его сопротивление составляет около 40 кОм. Когда я прячу его в руке, это около 4 мегаом, а если полностью закрыть двумя руками, то около 9мегаом. Но когда я освещаю LDR белым светодиодом, его сопротивление составляет около 66 Ом. Если я обниму их пальцами, это около 70 Ом.

Итак, в первичной цепи нам нужен белый светодиод с падением напряжения 3В и током 0,02А. Мы будем контролировать это с помощью переключателя и использовать 9-вольтовую батарею для питания схемы. Резистор находится путем вычитания из 9В 3В для светодиода, равно 6В. Это и будет падение напряжения на резисторе. Ток цепи составляет 0,02 А, поэтому 6 В, деленные на 0,02 А, составляют 300 Ом.

Теперь он будет нормально работать при 0,02 А, но я собираюсь использовать резистор с немного большим значением, чтобы уменьшить ток светодиода, это также немного уменьшит яркость светодиода. Я собираюсь использовать резистор на 330 Ом и резистор на 22 Ом, которые в сумме образуют сопротивление 352 Ом. 6В разделить на 352 Ом 0,017А.

Я помещаю компоненты в схему, и она выглядит так. Ток будет течь по цепи, как показано на рисунке с использованием обычного тока. Когда я нажимаю на переключатель, загорается светодиод.

На вторичной стороне у нас есть красный светодиод с падением напряжения 2 В и током 0,02 А, он включится, чтобы указать, что схема работает. Мы размещаем LDR напротив белого светодиода, это обеспечит сопротивление около 70 Ом при воздействии света. Чтобы найти резистор для светодиода, нам просто нужно из 9 В вычесть 2 В, что равно 7 В. 7В разделить на 0,02А будет 350 Ом. Из 350 вычтем 70 Ом, для LDR будет 280 Ом. Вместо этого я собираюсь использовать два резистора по 150 Ом, что равняется 300 Ом. Итак, если предположить, что LDR составляет 70 Ом, у нас есть сопротивление 370 Ом. 7В разделить на 370 Ом 0,019A.

Итак, я размещаю компоненты на вторичной стороне схемы, и это выглядит так. Обратите внимание, что горит красный светодиод, потому что LDR получает окружающий свет из комнаты. Если вы возьмете немного изоленты, отрежьте несколько маленьких кусочков и оберните ими как LDR, так и светодиод.

Блокирует окружающий свет в комнате, и светодиод выключается. Когда я нажимаю кнопку на первичной цепи, включается белый светодиод, это освещает LDR, который включает красный светодиод на вторичной стороне.

Контур 2 — инфракрасный излучатель и приемник

Проблема с контуром 1 заключалась в том, что естественный свет активировал контур. Итак, вместо этого мы будем использовать инфракрасный излучатель и приемник для этой схемы.

На первичной стороне у нас есть инфракрасный излучатель, тот, который я использую, рассчитан на 30 мА, но я собираюсь использовать меньший ток, чем этот. Когда я тестирую светодиод, мы видим, что при напряжении 1,2 В он имеет ток 0,02 А. Итак, мы будем использовать это значение. Кстати, если вы посмотрите на это своим глазом, вы не увидите никакого света, потому что это инфракрасное излучение, а люди не могут видеть инфракрасное излучение, поэтому вы предполагаете, что оно выключено, но это не так. Если вы используете камеру своего телефона, вы увидите, что она на самом деле включена. Вы можете проверить это самостоятельно, используя пульт от телевизора, так как он также использует инфракрасный порт.

Итак, на первичной стороне у нас есть питание 9В, и инфракрасный светодиодный излучатель с падением напряжения 1,2В. Мы помещаем в схему красный светодиод, чтобы указать, когда схема активирована, просто потому, что мы не можем видеть инфракрасное излучение. Это имеет падение напряжения 2 В и потребляемый ток 0,02 А, поэтому 9 В вычесть 2 В вычесть 1,2 В и получить 5,8 В. Ток в цепи будет 0,02 А, поэтому 5,8 В ÷ разделить на 0,02 А равно 290 Ом. У меня нет резистора на 290 Ом, поэтому я собираюсь использовать резистор на 270 и 22 Ом. Это дает 292 Ом. 5,8 В, деленное на 292 Ом, равно 0,01986 А, так что все в порядке. Мы также будем использовать переключатель для управления этим.

Когда я соединяю компоненты в схему, это выглядит так. Когда я нажимаю на переключатель, включается красный светодиод, а инфракрасный светодиод излучает луч света.

На вторичной стороне у нас есть светодиод приемника, рассчитанный на 1,4 В и 30 мА. Мы включим красный светодиод на этой стороне, чтобы указать, когда цепь активирована. Это имеет падение напряжения 2 В и ток 0,02 А. Итак, у нас 9v на питание, вычесть 2В, вычесть 1,4В будет 5,6В. 5,6 деленное на 0,02А равно 280 Ом. Я буду использовать 270 Ом и 10 Ом, чтобы получить требуемые 280 Ом.

Я помещаю эти компоненты в схему, и она выглядит так. Излучатель и приемник находятся напротив и находятся в непосредственной близости. Когда я нажимаю на переключатель, загорается основной красный светодиод, а излучатель направляет луч инфракрасного света на приемник. Приемник обнаруживает это и пропускает ток, поэтому красный светодиод на вторичной стороне также включается.

Цепь 3 Цепь оптопары.

В третьей схеме используется оптрон PC817.

На стороне входа используется внутренний светодиод, рассчитанный на 1,2 В и 20 мА. Я могу подключить один к источнику питания постоянного тока и увидеть, что при 1,2 В ток составляет 0,02 А, поэтому мы будем использовать это значение. На стороне входа мы будем использовать переключатель для управления схемой и красный светодиод для индикации активации схемы. Это имеет падение напряжения 2 В и ток 0,02 А. Таким образом, при подаче 9 В, из 9 В вычитается 2 В, вычитается 1,2 В, получается 5,8 В. 5,8 В разделить на 0,02 А равно 29.0 Ом. Я собираюсь использовать резистор на 270 Ом и резистор на 22 Ом, чтобы получить 292 Ом. 5,8 В, деленное на 292 Ом, равно 0,01986 А, так что это нормально.

Я помещаю компоненты в печатную плату, и это выглядит так. Когда я нажимаю на переключатель, загорается красный светодиод.

Для вторичной обмотки оптопара рассчитана на максимальный ток 50 мА. Мы просто собираемся использовать красный светодиод на вторичной стороне с падением напряжения 2 В и током 0,02 А. Вторичная сторона будет иметь 9Источник питания V с плюсом, подключенным к коллектору, и эмиттером, подключенным к минусу. Мы должны использовать резистор, иначе оптопара будет разрушена.

Глядя на техническое описание производителя, мы видим диаграмму зависимости тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер. Ток коллектора составляет 20 мА от нашего красного светодиода. Итак, читая диаграмму, мы перемещаемся, пока не достигнем линии 20 мА, это показывает, что напряжение коллектор-эмиттер составляет 2 В.

У нас есть источник питания 9В, поэтому из 9В вычесть 2В для светодиода и 2В для коллектора-эмиттера транзистора, получится 5В. 5В разделить на ток коллектора 0,02А это 250 Ом.