В коротком обзоре расскажем об основных свойствах и возможностях оптопар, отметим, на что следует обращать внимание при выборе этих приборов, и приведем пример их использования.
Открытие фотопроводимости селена Уиллоуби Смитом (Willoughby Smith) в 1873 г. положило начало оптоэлектронике. Селеновые фотоэлементы нашли применение во многих областях — от считывания фонограмм до управления станками. В 1940 г. появилась и первая коммерческая оптопара. Она была встроена в датчик оксиметра, созданного Гленном Милликеном (Glenn Allan Millikan).
Оптопары представляют собой электронный компонент, состоящий из излучателя света и фотоприемника. Сегодня оптопары используются либо в качестве датчиков, либо для гальванического разделения цепей. Последнему применению и посвящен наш краткий обзор. Источником излучения в современных оптопарах служит светодиод. Схематичное изображение конструкции оптопары показано на рис. 1.
Рис. 1. Оптопара: схема конструкции
Виды оптопар
Рис. 2. Оптопары с различными типами фотоприемников
Виды оптопар различаются по приемникам излучения, в качестве которых могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. На рис. 2 показаны схемы оптопар с разными фотоприемниками.
Оптический канал связи между излучателем и приемником обычно состоит из полимерных оптических лаков: они обеспечивают гальваническое разделение цепей и максимально прозрачны. В настоящее время наибольшее распространение получили транзисторные оптопары и оптопары с встроенным формирователем выходного напряжения.
Кроме того, оптопары могут различаться по следующим признакам:
- число каналов: одноканальные и многоканальные;
- динамические характеристики;
- электрическая прочность изоляции (в отдельную группу выделяют оптопары с усиленной изоляцией не менее 7,5 кВ);
- стойкость к изменению синфазного напряжения (для драйверов затвора IGBT и MOSFET требуется высокая).
В некоторых случаях производители разделяют оптопары по области применения, например для автомобильной электроники. Обычно подобное разделение требуется, когда оптопара должна удовлетворять дополнительным требованиям отраслевых стандартов.
Применение оптопар для гальванического разделения цепей
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.
Выбор оптопары
При выборе оптопары в первую очередь следует обращать внимание на следующие параметры:
- электрическая прочность изоляции;
- стойкость к пиковым повторяющимся рабочим напряжениям;
- максимальное синфазное напряжение;
- устойчивость к изменению синфазного напряжения;
- максимальная скорость передачи данных;
- величина воздушного зазора и пути тока утечки (если оптопара используется в медицинской технике).
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.
Драйверы IGBT и MOSFET
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.
Пример применения оптопары
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.