Оптопары, как важный элемент в мире электроники, имеют богатую историю, начиная с открытия фотопроводимости селена Уиллоуби Смитом в 1873 году. Это открытие стало основой для дальнейшего развития оптоэлектроники, а селеновые фотоэлементы нашли применение в таких сферах, как считывание фонограмм и управление промышленными станками. В 1940 году на рынок вышла первая коммерческая оптопара, разработанная Гленном Милликеном для оксиметров. С тех пор оптопары стали незаменимыми в различных электронных системах.
Оптопара — это электронный компонент, состоящий из светового излучателя и фотоприемника, который используется для передачи информации между двумя электрическими цепями с гальваническим разделением. Этот принцип позволяет избежать прямого электрического контакта между цепями, что особенно важно для защиты чувствительных компонентов от перенапряжений и шумов. В современных оптопарах основным источником света служит светодиод, который обеспечивает надежную и быструю передачу сигналов.
Схематичное изображение конструкции оптопары показано на рис. 1.
Оптопары различаются по типу фотоприемников, которые могут включать фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Каждый из этих элементов имеет свои особенности и применяется в зависимости от конкретной задачи. Например, фотодиоды обеспечивают высокую скорость реакции, в то время как фототранзисторы могут использоваться для усиления сигналов.
Также оптопары классифицируются по следующим критериям:
1. Количество каналов: Оптопары могут быть одноканальными или многоканальными, что позволяет передавать несколько сигналов одновременно.
2. Динамические характеристики: Важно учитывать скорость переключения и время отклика, особенно в высокоскоростных приложениях.
3. Электрическая прочность изоляции: Некоторые модели обладают усиленной изоляцией (не менее 7,5 кВ), что делает их идеальными для работы в условиях повышенных напряжений.
4. Стойкость к синфазному напряжению: Для драйверов затворов IGBT и MOSFET необходимы оптопары с высокой стойкостью к изменениям синфазного напряжения.
Производители также могут делить оптопары по области применения, например, для автомобильной электроники или медицинских приборов, где требуется соблюдение строгих стандартов безопасности.
Напомним, что гальваническим разделением цепей подразумевают схемотехнические решения, при которых передача сигнала между цепями происходит без электрического контакта (не кондуктивным способом). Подобные решения реализуются с помощью гальванических развязок. Реализовать гальваническое разделение цепей можно не только с помощью оптопар, для этого также используются электромагнитные и емкостные гальванические развязки.
Рис. 3. Электромагнитная гальваническая развязка
На рисунке 3 схематично изображена электромагнитная развязка производства компании Analog Devices. Две обмотки трансформатора разделены полимидным изолятором толщиной 20–32 мкм. Технология обеспечивает электрическую прочность изоляции 5 кВ.
Рис. 4. Емкостная гальваническая развязка
На рисунке 4 изображена емкостная электромагнитная развязка производства компании Texas Instruments. Источник и приемник сигнала размещаются на отдельных кристаллах друг напротив друга, подобно пластинам конденсатора. В качестве диэлектрика такого конденсатора используется диоксид кремния SiO2.
Каждый способ имеет свои преимущества и недостатки. Безусловное преимущество оптопар — толщина изоляционного барьера, варьирующаяся в пределах 80–1000 мкм, в то время как у гальванических развязок аналогичный параметр обычно не превышает 25–35 мкм. Благодаря этому свойству значительно повышается стойкость оптопар к повторяющимся пиковым значениям напряжения VIORM.
Напомним, что стойкость изоляционного барьера гальванических развязок определяется двумя параметрами — электрической прочностью изоляции (однократное испытание) и способностью выдерживать повторяющиеся импульсы перенапряжения VIORM. Однако, к сожалению, указанные в документации производителя данные не всегда совпадают с условиями эксплуатации. Доказательством служит эксперимент компании Broadcom. Они испытывали собственную оптопару и электромагнитную развязку. Между закороченными входами и выходами прикладывалось напряжение 3,5 кВ для оптопары и 2,5 кВ для электромагнитной развязки. Оптопара сохранила работоспособность после 168 ч испытаний, а электромагнитная развязка вышла из строя через 10,5 ч.
Еще одним преимуществом оптопар является отличная электромагнитная совместимость: они практически не восприимчивы к помехам и не генерируют их. Это особенно важно в случаях, когда гальваническая развязка используется в промышленных условиях, где нередко возникают импульсы перенапряжения из-за коммутации мощных токоприемников и среда зашумлена помехами.
При выборе оптопары в первую очередь следует обращать внимание на следующие параметры:
Быстродействующие оптопары обычно находят применение в интерфейсных схемах и на данный момент способны работать в интерфейсах со скоростью передачи данных вплоть до 50 Мбит/с. Стоит иметь в виду, что при скорости передачи данных V, оптопара способна передавать сигнал с максимальной частотой f численно равной V при коэффициенте заполнения импульсной последовательности D = 0,5. Напомним, что коэффициент заполнения вычисляется с помощью соотношение
D = ТИ/ТП
Где: ТИ – длительность импульса; ТП – длительность периода следования импульсов.
Например, при скорости передачи данных 50 Мбит/с максимальная частота сигнала будет 50 МГц, при этом длительность импульса составит 10 нс.
Если требуется передать сигнал с максимально допустимой частотой, но с меньшей длительностью импульса, обязательно обратите внимание на величину искажения импульса PWD (как правило, хотя, к сожалению не всегда, этот параметр приводится в документации изготовителя).
И еще одно предостережение: если необходимо передать два или более параллельных сигнала с помощью нескольких оптопар, например, при синхронной передаче высокоскоростных сигналов, очень важно узнать разницу между задержками распространения сигнала в оптопарах (Propagation Delay Skew). Если этот параметр не указан в документации изготовителя, а для вас он критически важен, рекомендуем обратиться в отдел технической поддержки изготовителя.
Рис. 5. Транзисторная оптопара: распределение паразитных емкостей
Оптопары представлены не только в виде отдельных микросхем, они также встраиваются в другие электронные компоненты. Например, они нашли применение в изолированных усилителях: аналоговый входной сигнал оцифровывается с помощью сигма-дельта модулятора, затем оцифрованный сигнал передается через встроенную оптопару, после чего демодулируется на вторичной стороне.
Отлично подходят оптопары для применения в драйверах затвора IGBT и MOSFET. В этих приложениях требуется высокая устойчивость к изменению синфазного напряжения, которая ограничена паразитными проходными емкостями и емкостью затвора IGBT и MOSFET. Распределение паразитных емкостей на примере транзисторной оптопары показано на рис. 5. В специализированных оптопарах, применяемых в драйверах затвора IGBT и MOSFET, удается добиться устойчивости к изменению синфазного напряжения вплоть до 100 кВ/мкс и максимального синфазного напряжения 1,5 кВ.
Рис. 6. Структурная схема регулируемого электропривода
Оптопары в виде отдельных микросхем или частей других электронных компонентов находят широкое применение в разных областях. В качестве примера приведем структурную схему регулируемого электропривода (рис. 6.). В данном случае оптопары встроены в драйвер затвора IGBT, а также в изолированный усилитель обратной связи по току. Их использование позволяет гальванически отделить сигнальные цепи управления от силовых цепей: это необходимо для обеспечения электробезопасности и защиты от электромагнитных помех.
Оптопары находят широкое применение в различных областях:
• Датчики: Используются для измерения физических величин и преобразования их в электрические сигналы.
• Гальваническое разделение цепей: Обеспечивают защиту компонентов и предотвращают влияние помех.
• Управление мощностью: Применяются в схемах управления мощными транзисторами и силовыми модулями.
В заключение, выбор подходящей оптопары зависит от конкретных требований вашего проекта. Учитывайте тип фотоприемника, количество каналов, динамические характеристики и уровень изоляции. Правильный выбор позволит вам создать надежные и эффективные электронные устройства, соответствующие современным стандартам.
